background image

311

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

Chapter 9
Long-Term HeaLTH effeCTs of 

CHemiCaL THreaT agenTs

William J. Smith, P

h

D*; mattheW G. Clark, P

h

D

; thomaS B. talBot, mD, mS

; PatriCia ann CaPle, rn

§

FreDeriCk r. SiDell, mD

¥

and

 CharleS G. hurSt, mD

inTroDUCTion

mUsTarD

Carcinogenesis

Chronic Pulmonary Disease

Chronic eye Disease

scarring of epithelial surfaces

Central nervous system

mutagenesis, Teratogenesis, and reproductive Toxicity

nerVe agenTs

Polyneuropathy

muscle necrosis

intermediate syndrome

neuropsychiatric effects

electroencephalographic abnormalities

Toxicological studies on nerve agents

CYaniDe

Physiology

Long-Term effects of an acute insult

Long-Term exposure

ToXiC inHaLaTion inJUrY

Phosgene 

methyl isocyanate

Perfluoroisobutylene 

oxides of nitrogen

Zinc oxide

sUmmarY

Chief, Cellular and Molecular Biology Branch, Research Division, US Army Medical Research Institute of Chemical Defense, 3100 Ricketts Point Road, 

Aberdeen Proving Ground, Maryland 21010-5400

† 

Major, Medical Service Corps, US Army; Chief, Neurobehavioral Toxicology Branch, Analytical Toxicology Division, US Army Medical Research 

Institute of Chemical Defense, 3100 Ricketts Point Road, Aberdeen Proving Ground, Maryland 21010-5400 

‡ 

Major, Medical Corps, US Army; Chief of Operations Branch, Chemical Casualty Care Division, US Army Medical Research Institute of Chemical 

Defense, 3100 Ricketts Point Road, Aberdeen Proving Ground, Maryland 21010-5400 

§ 

Lieutenant Colonel, Nurse Corps, US Air Force; Chemical Casualty Care Division, US Army Medical Research Institute of Chemical Defense, 3100 

Ricketts Point Road, Aberdeen Proving Ground, Maryland 21010-5400

¥ 

Formerly, Chief, Chemical Casualty Care Office, and Director, Medical Management of Chemical Casualties Course, US Army Medical Research Institute 

of Chemical Defense, Aberdeen Proving Ground, Maryland 21010-5400; Deceased

¶ 

Chief, Chemical Casualty Care Division, US Army Medical Research Institute of Chemical Defense, 3100 Ricketts Point Road, Aberdeen Proving 

Ground, Maryland 21010-5400

background image

312

Medical Aspects of Chemical Warfare

inTroDUCTion

casualties.

4,5

 one uS soldier developed skin blisters 

8 hours after exploring an underground bunker.

4

 

his clinical findings and mass spectroscopy read-

ings (performed by a chemical detection team) from 

his clothing and the bunker supported a diagnosis 

of accidental mustard exposure, which was mild. 

the exposure was not confirmed by later testing of 

clothing samples, from which trace amounts of the 

agent may have dissipated.

although the acute effects of the nerve agents 

and of mustard agent are well known,

6,7

 the long-

term  effects  after  a  single  exposure  or  multiple 

exposures  are  less  well  recognized.  the  nerve 

agents are the subject of Chapter 5, nerve agents, 

and mustard is discussed in Chapter 8, Vesicants. 

this  chapter  focuses  on  the  long-term  effects  of 

exposure to these agents. 

Chemical warfare agents were used extensively 

in  World  War  i  (the  united  States  had  approxi-

mately 70,000 chemical casualties

1

) and have been 

employed or allegedly employed in about a dozen 

conflicts  since  then.

2

  the  most  recent  large-scale 

use of these weapons was by iraq in its war with 

iran  in  the  late  1980s.  During  that  conflict,  iraq 

used nerve agents and the vesicant mustard

3

; after 

the war it maintained stockpiles of the two agents 

and  the  capability  to  manufacture  them.  Before 

coalition  forces  liberated  kuwait  early  in  1991 

during the Persian Gulf War, iraq was expected to 

use these agents when attacked. no reports of the 

use of chemical weapons during that conflict were 

made, however, despite the vigilance of the press 

corps and military medical personnel, who were 

trained to report, investigate, and care for chemical 

mUsTarD

two well-known forms of mustard exist. Sulfur 

mustard (designated by the military as h or hD) was 

first synthesized in the early 1800s, has been used in 

warfare on several occasions, and is a major chemical 

warfare agent.

6

 nitrogen mustard is of more recent 

origin, has not been used in warfare, and is a cancer 

chemotherapeutic agent.  in this chapter, the word 

“mustard” will refer to sulfur mustard. 

mustard is best known as a skin vesicant, but in 

a series of iranian patients exposed to mustard, 95% 

had airway effects, 92% had eye injuries, and 83% had 

skin lesions.

8

 after absorption, mustard, an extremely 

potent alkylating agent, has the potential to damage 

all cells and all organs.

6

 absorption and systemic dis-

tribution of a significant amount of mustard damages 

the bone marrow, where it destroys the precursor cells, 

resulting in pancytopenia.

6

 less commonly, clinical 

effects are seen in the gastrointestinal tract (usually as 

a terminal event)

9,10

 and in the central nervous system 

(CnS), with ill-defined symptoms such as lethargy 

and apathy.

8,11

 

on the skin, a Ct (the concentration [C] of agent 

vapor or aerosol in air, as mg/m

3

, multiplied by the 

time [t] of exposure, in minutes) of 50 mg•min/m

3

 or 

a droplet of 10 µg of mustard is adequate to produce 

vesication.

6

 (one study

12

 indicates that 8 of the 10 µg 

evaporate and 1 µg enters the systemic circulation, 

leaving 1 µg to produce the skin lesion.) eye lesions 

can be produced by a Ct of 10 mg•min/m

3

.

13

 airway 

injury occurs at a Ct of 100 mg•min/m

3

 or higher.

6

 

the mode of biological activity of mustard is less 

well defined than that of the nerve agents. the initial 

event is felt to be a reaction of mustard and deoxyri-

bonucleic acid (Dna) with subsequent damage to the 

Dna. a series of intracellular events then occur, lead-

ing to cellular damage accompanied by inflammation 

and cellular death. Cellular damage begins within 1 

to 2 minutes of contact of mustard to skin or mucous 

membranes.

6

 the onset of clinical effects following 

exposure to mustard occurs hours after the expo-

sure.

6

 the delay usually ranges from 2 to 24 hours, is 

inversely proportional to the amount of mustard, and 

depends on other factors as well. no specific therapy 

for mustard exposure exists.

6

 Decontamination within 

a minute or two will prevent or diminish the lesion, 

and later care consists of symptomatic management 

of the lesion. 

Studies have established that the chemical agent 

mustard has long-term sequelae. Both morgenstern 

et al

14

 and Buscher

15

 emphasize that chronic low-dose 

exposure over months to years in occupationally ex-

posed workers leads to chronic bronchitis, bronchial 

asthma, hoarseness, aphonia, and hypersensitivity to 

smoke, dust, and fumes. affected individuals typically 

show persistent disability, with increased suscepti-

bility to respiratory tract infections and evidence of 

bronchitis and bronchiectasis.

6,14,15

 laboratory animal 

studies

16–18

 have found that mustard is mutagenic and 

carcinogenic, and it is reported to be carcinogenic in 

humans.

19

 

a 1993 study

19

 sponsored by the Veterans admin-

istration and conducted by the institute of medicine 

reported that a causal relationship exists between 

mustard exposure and the following conditions: 

background image

313

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

  •  chronic respiratory diseases (asthma, chronic 

bronchitis, emphysema, chronic obstructive 

pulmonary disease, chronic laryngitis);

  •  respiratory cancers (nasopharyngeal, laryn-

geal, and lung); 

  •  pigmentation abnormalities of the  skin;

  •  chronic skin ulceration and scar formation; 

  •  skin cancer; 

  •  chronic conjunctivitis; 

  •  recurrent corneal ulcerative disease; 

  •  delayed recurrent keratitis;

  •  leukemia (nitrogen mustard); 

  •  bone marrow depression and (resulting) im-

munosuppression; 

  •  psychological  disorders  (mood  disorders, 

anxiety disorders, and traumatic stress dis-

orders); and

  •  sexual dysfunction as a result of scrotal and 

penile scarring.

although laboratory evidence suggests that all of 

these might occur, there is no data in humans to indicate 

that all have occurred. the study report recognized 

this by stating, “it is also possible that skin cancers 

did not occur in the studied populations…”

19

 and 

“…underrepresented in human studies is information 

on chronic or delayed effects [on the bone marrow and 

immune system].”

19

 the report also pointed out that 

the psychological disorders were from the stress of the 

exposure and not from the agent, and there seemed to 

be no data on sexual dysfunction. moreover, it is not 

clear from the report whether these effects follow one 

or multiple mustard exposures. 

all human studies dealing with chronic mustard 

disease processes are retrospective and fraught with 

the problems inherent in retrospective studies. these 

problems include bias in the sampling populations; 

lack  of  epidemiological  controls  for  the  effects  of 

smoking, lifestyle, race, gender, age, or exposure to 

other chemicals; differential quality of available health 

care; and incorrect diagnosis.

6

 these limitations make 

absolute interpretation of the studies difficult. 

over the past several years, iranian investigators 

have provided a number of papers that study the late 

toxic effects of mustard exposure in patients 16 to 

20 years after the iran-iraq conflicts of the 1980s.

20–26

 

Balali-mood and hefazi

27

 have summarized most of 

these data in a comparative review of early and late 

toxic effects of mustard.

Carcinogenesis

mustard is an alkylating agent similar to drugs 

that have been used in cancer chemotherapy, such 

as nitrogen mustard, Cytoxan (Bristol-myers Squibb 

oncology Division, Princeton, nJ), and methotrexate. 

Since Dna is one of mustard’s most sensitive targets, it 

is not surprising that carcinogenesis and radiomimetic 

effects are seen. 

in studies

18,28,29

 conducted from 1949 through 1953 

by We heston with mustard and strain-a mice (im-

munocompromised), the occurrence of pulmonary 

tumors was easily demonstrated. Studies conducted at 

edgewood arsenal, maryland, examined the carcino-

genic effects on rats in whole-body chamber exposures. 

mustard readily produced skin malignancies in rats, 

but no excess tumors at other sites.

30

 Subcutaneous 

injections totaling about 6 mg/kg of mustard produced 

sarcomas and other malignancies at injection sites in 

C3h, C3hf, and strain-a mice, but did not result in an 

increase of malignancies at other sites.

29

 

human data on the carcinogenicity of mustard are 

from (a) battlefield exposures, (b) accidents, and (c) 

workers in chemical factories. Both British and ameri-

can studies have investigated the increased incidence 

of pulmonary carcinoma arising from World War i 

battlefield exposure. all are difficult to interpret, ow-

ing to the lack of controls for age, chronic pulmonary 

disease, cigarette smoking, and other factors that might 

have affected the outcome.

31–33

 

in contrast to battlefield exposures, studies of fac-

tory workers involved in the production of mustard 

have shown a definite link between prolonged ex-

posure to low doses of mustard and cancer.

6

 Several 

studies

17,34–38

 have provided evidence of an increased 

risk of respiratory tract cancers in factory workers. 

easton et al

35

 found a 45% increase in deaths due to 

lung cancer, a 170% increase in death from cancer of 

the larynx, and a 450% increase in deaths from cancer 

of the pharynx, compared with expected deaths in the 

general population. the risks for cancer of the pharynx 

and lung were significantly related to the duration of 

employment at the factory. For reasons analyzed more 

fully elsewhere,

39

 the association between a single 

exposure to mustard and airway cancer is not as well 

established. 

Japanese studies suggest a greater potential risk of 

cancer from mustard than do the British studies. easton 

et al

35

 and manning et al

17

 suggest that the difference is 

related to the design of the Japanese studies and to the 

lower industrial hygiene standards in Japan at the time 

of the studies.

6

 the weight of the evidence—cellular, 

epidemiological, and toxicological—indicates a causal 

association between mustard exposure and the occur-

rence of excess respiratory cancer, skin cancer, and 

possibly leukemia. inadequate exposure information 

limits accurate estimation of the cancer excesses that 

may be expected.

19

background image

314

Medical Aspects of Chemical Warfare

the iranian data suggest that surviving victims of 

mustard exposure during the iran-iraq War are ex-

hibiting carcinoma of the nasopharynx, bronchogenic 

carcinoma, and adenocarcinoma of the stomach, as 

well as acute myeloblastic and lymphoblastic leuke-

mia.

27

 Definitive studies of the nature and types of 

cancers seen in this patient population have yet to be 

published. 

Chronic Pulmonary Disease

inhalation of mustard vapor primarily affects the 

laryngeal and tracheobronchial mucosa.

6

 evidence 

suggests that mustard inhalation causes sustained 

respiratory difficulties even after the acute lesions 

have healed. Clinical follow-ups on 200 iranian sol-

diers who were severely injured by mustard during 

the iran–iraq War indicate that about one third had 

experienced persistent respiratory effects 2 years after 

initial exposure. reported problems included chronic 

bronchitis, asthma, rhinopharyngitis, tracheobronchi-

tis, laryngitis, recurrent pneumonia, bronchiectasis, 

and in some cases, severe, unrelenting tracheobron-

chial stenosis.

22,40–43

 

of the British soldiers exposed to mustard in World 

War i, 12% were awarded disability compensation for 

respiratory disorders that were believed to be from 

mustard exposures during combat.

44

 Bronchitis was 

the major complaint; emphysema and asthma were 

also reported. however, epidemiological studies of the 

relationship between agent exposure and subsequent 

respiratory disability were severely limited for several 

reasons. often, individuals had experienced multiple 

combined exposures to mustard and other chemical 

agents. also, influenza and other respiratory ailments 

frequently made diagnosis of the mustard vapor in-

jury difficult.

6

 Finally, no epidemiological controls for 

smoking or for postexposure environmental and oc-

cupational histories were included in the studies.

45

 

Wada et al

34

 suggest a causal relationship between 

mustard exposure and subsequent bronchitis, tuber-

culosis, and pneumonia in factory workers involved in 

the production of mustard. again, morgenstern et al

14

 

and Buscher

15

 emphasize that chronic low-dose expo-

sure over prolonged periods (presumably months to 

years) leads to lingering bronchitis, bronchial asthma, 

hoarseness, aphonia, and hypersensitivity to smoke, 

dust, and fumes. affected individuals typically show 

persistent disability, with increased susceptibility to 

respiratory tract infections and evidence of bronchitis 

and bronchiectasis.

6

 

little  contemporary  information  regarding  the 

pathogenesis of the respiratory lesions is available, and 

few data from people or animals exposed to nonlethal 

concentrations of mustard vapor exist. even fewer 

studies investigate the histopathology of the recovery 

process in animals exposed to mustard.

19

 however, 

two studies

9,46

 conducted during World War i suggest 

that low-level exposure or survivable exposures in 

dogs and rabbits may produce scar tissue following 

small ulcerations in the trachea and larynx, causing 

contractions of these areas. the more severe respiratory 

tract lesions described in animals exposed to mustard 

vapor appear to be similar in type and location to those 

described in humans.

6

 

the  iranian  database  shows  that  in  the  3-year 

postexposure time frame the most severely affected 

patients demonstrated restrictive pulmonary disease 

patterns. By 16 years postexposure, these patterns 

had become obstructive in nature.

27

 Sixteen to twenty 

years after exposure, the main respiratory complica-

tions were chronic obstructive pulmonary disease, 

bronchiectasis, asthma, large airway narrowing, and 

pulmonary fibrosis.

27

Chronic eye Disease

individuals who sustain acute ocular injury from 

high-dose mustard exposure may experience diffi-

culties even after the initial effects of the injury have 

subsided.

47–50

 recurrent or persistent corneal ulcer-

ation can occur after latent periods of 10 to 25 years. 

this delayed keratopathy

49,51

 may be accompanied by 

chronic conjunctivitis and corneal clouding. anecdotal 

accounts suggest that low-dose exposure also causes 

increased sensitivity to later exposures to mustard,

52

 

although the existence of increased sensitivity is dif-

ficult to substantiate with available scientific evidence.

6

 

about 10% of those with eye injury in World War i had 

severely affected eyes, with both the cornea and the 

conjunctiva being involved. members of this group 

developed the “delayed keratitis” noted above 8 to 

25 years later.

48

the 1993 institute of medicine study

19

 of the ef-

fects of mustard and lewisite exposure on the health 

of veterans concluded that acute, severe injury of the 

eye from mustard might result in recurrent corneal 

ulcerative disease for the remainder of the patient’s 

life, with a maximum incidence occurring 15 to 20 

years after the injury. Based on extensive data, the 

study concluded that a causal relationship between 

severe exposure to mustard and the development of 

delayed recurrent keratitis exists.

47

 the study also 

found a causal relationship between exposure to mus-

tard and the development of prolonged, intractable 

conjunctivitis. 

background image

315

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

scarring of epithelial surfaces

residual cutaneous lesions most often take the form 

of scars that result from uncontrolled fibroblastic activ-

ity and overgrowth of connective tissue during the pro-

cess of wound repair. even wounds that are well cared 

for on joints and sites that are not easily immobilized, 

such as shoulders, knees, elbows, and male genitalia, 

often heal with severe residual scar formation. Pigmen-

tation is often altered (either increased or decreased) at 

these sites, although the degree of alteration does not 

differ from that observed in injuries caused by burns 

and other forms of physical and chemical insult. in the 

absence of melanocyte destruction, hyperpigmentation 

predominates. if melanocytes are locally destroyed, 

and inward migration from destroyed adnexal struc-

tures does not occur, depigmentation predominates. 

in a prospective study of delayed toxic effects from 

mustard exposure, Balali-mood

22

 followed a group 

of iranian solders exposed to mustard gas during 

the iran–iraq War. after 2 years, 41% of the exposed 

victims  were  experiencing  pigmentary  disorders. 

any previously injured sites have been described as 

being “sensitive” to subsequent mechanical injury. 

these sites may show recurrent blisters after mild 

injury.

19 

renshaw

12

 reported on the development of 

contact sensitivity in humans following localized ex-

posure to liquid mustard. Cutaneous sensitivity may 

be seen within 8 days following the first application, 

and a more pronounced effect is seen after 4 weeks. 

the incidence of hypersensitivity varies between 30% 

and 65% of exposed individuals. Sensitivity may be 

immediate hives or delayed dermatitis and appears 

to last a lifetime. Sensitivity may also take the form of 

flares of old, healed mustard injury sites after a fresh 

application of mustard to normal, unaffected skin.

12

  

the occurrence of skin cancers at the site of old scar 

formation is an acknowledged biological phenom-

enon.

53,54

  Cutaneous  cancers  resulting  from  acute 

mustard exposure usually localize in scars, whereas 

those caused by chronic exposure can occur on any 

exposed site.

55

in its study of mustard and lewisite effects,

19

 the 

institute of medicine concluded that the evidence 

indicates  a  causal  relation  between  acute,  severe 

exposure to mustard agents and increased pigmenta-

tion and depigmentation in human skin; acute and 

severe exposure can lead to chronic skin ulceration, 

scar formation, and the development of cutaneous 

cancer (but see the caveat in the previous discussion 

of this report’s conclusions); and chronic exposure to 

minimally toxic and even subtoxic doses can lead to 

skin pigmentation abnormalities and cutaneous can-

cer. among the iranian victims at 16 to 20 years after 

exposure, the most common skin lesions, by order of 

occurrence, were hyperpigmentation, erythematous 

popular rash, dry skin, multiple cherry angioma, at-

rophy, and hyperpigmentation.

27

 Central nervous system

excitation of the CnS after mustard exposure, re-

sulting in convulsions and followed by CnS depres-

sion, has been reported.

56

 Convulsions and cardiac 

irregularities appear to occur only after extremely 

acute, high doses,

57

 which are probably attainable 

only in laboratory settings.

6

 mustard casualties of the 

iran–iraq War did not display severe CnS or cardiac 

abnormalities.

40

 

acute neuropsychiatric symptoms, including severe 

depression and changes in mentation, are common 

after high-dose exposures to mustard agents. these 

symptoms are produced both directly by the chemical 

and secondarily to other physiological changes.

19

 Fol-

low-up of workers in German chemical warfare plants 

showed a high prevalence of various neurological dis-

orders, including impaired concentration, diminished 

libido, and sensory hypersensitivity.

58

 to what extent 

mustard agents were responsible is not clear because 

multiple exposures to other agents, including nerve 

agents, were known to have occurred. 

Balali-mood et al

23

 conducted studies on peripheral 

neuropathic processes in victims exhibiting severe late 

manifestations of mustard poisoning using electro-

myography and nerve conduction velocity. Seventy 

percent of the patients demonstrated disturbances 

in the peripheral nervous system. nerve conduction 

abnormalities were more common in sensory nerves 

and more prevalent in lower extremities than in up-

per extremities. Forty percent of the patients exhibited 

incomplete interference patterns in electromyographic 

studies.

mutagenesis, Teratogenesis, and reproductive 

Toxicity

mustard causes cross-linking of Dna and is known 

to alkylate Dna at the o

6

 position of guanine. Some 

authors

59,60

 suggest that intrastrand Dna cross-links, 

rather than interstrand cross-links,

61,62 

are the lesions 

primarily responsible for producing chromosomal 

aberrations. mustard causes chromosomal breakage 

and induces sister chromatid exchanges in a wide 

variety of cells including mammalian cells.

63

 the in-

ternational agency for research on Cancer in lyon, 

France (an agency of the World health organization), 

background image

316

Medical Aspects of Chemical Warfare

has classified mustard as a human carcinogen based 

on  the  findings of epidemiological  studies. taken 

together, these observations highlight the potential of 

this compound to induce genetic damage and become 

a long-term health hazard. the agency also suggests 

that mustard could be a reproductive toxin.

19

 

the 1993 institute of medicine report

19

 noted that the 

quality of human data on the reproductive toxicity of 

mustard is quite poor. Follow-up of the occupational 

or battlefield cohorts to determine the nature of any 

reproductive toxicity or teratogenic effects attributable 

to these exposures has been insufficient. the evidence 

suggests a causal relationship between mustard expo-

sure and reproductive toxicity in laboratory animals, 

but the database is far too small and unreliable to 

allow a clear understanding of human reproductive 

risk from exposure to mustard. mustard can cause 

genetic alterations in the sperm of male rats after 

inhalation or gastric exposure, but rodent studies

64

 

showed that mustards are not detectable teratogens in 

animals. the human data are insufficient for reliable 

interpretation.

19

nerVe agenTs

nerve agents are esters of phosphonic acid and are 

extremely potent chemicals. their military designa-

tions are Ga (tabun), GB (sarin), GD (soman), GF 

(cyclosarin), and VX. the agent VX has no common 

name. in contrast to the information available on both 

short- and long-term effects of mustard in humans 

from its battlefield use in World War i and the iran–iraq 

War, and from experimental studies during the World 

War i and World War ii periods,

19

 limited data from the 

battlefield use of nerve agents are available. 

the toxic effects of nerve agents are caused primar-

ily by their inhibition of acetylcholinesterase (aChe) 

and the  resulting  accumulation  of acetylcholine.

65

 

other biological activities of these agents have been 

described, but the relation of these activities to clinical 

effects has not been recognized. For example, some 

nerve agents affect ionic channels,

66

 and all affect 

structures other than aChe.

67

 Several milligrams of 

VX, the least volatile nerve agent, absorbed through 

the skin causes clinical signs and symptoms.

68,69

 a Ct 

of 2 to 3 mg•min/m

3

 of sarin produces miosis and 

rhinorrhea in humans.

70

 this Ct can be attained with 

exposure to a concentration of 2 mg/m

3

 for 1 minute 

or a concentration of 0.05 mg/m

3

 for 40 minutes. the 

initial signs of exposure to small quantities of agent va-

por are miosis, rhinorrhea, and airway constriction.

7,71

 

larger amounts cause loss of consciousness, seizure 

activity,

71

 cessation of respiration

72

 and cardiac activity, 

and death, unless there is medical intervention. effects 

occur within minutes of exposure,

71,72

 and after a large 

exposure (Cof 10–200 mg•min/m

3

, depending on 

the agent

73

), death occurs in 10 to 15 minutes. after 

exposure to a sublethal amount on the skin (1–3 mg), 

the onset time for clinical effects may be hours.

68,69

 

the initial effect is usually vomiting, which may be 

followed by muscular weakness. a lethal amount of 

VX on the skin causes effects within several minutes,

71

 

and death occurs shortly afterwards.

treatment consists of the administration of atropine, 

a drug that blocks the effects of the excess acetylcho-

line at muscarinic cholinergic receptor sites, and of 

2-pyridine aldoxime methyl chloride (2-Pam Cl, also 

called 2-pralidoxime chloride), an oxime that removes 

the agent from aChe, thereby reactivating the enzyme 

after poisoning by some agents.

74

 2-Pam Cl, however, 

is ineffective against soman intoxication

71

 because of 

soman’s rapid aging. (aging is the process by which 

one of the nerve agent’s alkyl groups leaves the mol-

ecule after binding to aChe. after dealkylation, an 

aChe-bound nerve agent molecule can no longer be 

removed from the enzyme by an oxime. the aging 

half-time of soman is about 2 min.) Ventilatory sup-

port is necessary when breathing has stopped or is 

inadequate,

71,72

 and the anticonvulsant diazepam may 

need to be administered. 

information on the effects of nerve agents in humans 

comes from the accidental exposure of hundreds of 

people mildly or moderately exposed while working 

with nerve agents and from a handful of workers who 

had severe exposures. investigational studies carried 

out in hundreds of people also provide information. 

more recently, terrorists used sarin in two separate 

attacks in matsumoto and tokyo, Japan, in 1994 and 

1995. these attacks have provided a great deal of in-

formation on both the short- and long-term impact of 

organophosphorus nerve agents in humans. informa-

tion on the effects of organophosphorus insecticides 

is also included so that medical officers can compare 

and contrast the two. Because both nerve agents and 

insecticides are organophosphorus compounds, people 

often tend to extrapolate the biological effects of one 

to the other, but in fact there are many differences be-

tween the two. the authors of some reports did not rec-

ognize the differences and grouped them together.

75,76

although the organophosphate insecticides are 

similar to nerve agents in inhibiting cholinesterase, 

they differ in other characteristics. For example, the 

cholinergic crisis caused by acute, severe intoxica-

tion with the insecticides is generally much longer 

than that caused by nerve agents (days to weeks for 

background image

317

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

insecticides

77–79

 vs hours for nerve agents

71,72

). not only 

do insecticides differ from nerve agents, but they also 

differ among themselves in some of their biological 

effects; for example, some cause polyneuropathy, and 

others do not.

79

 Because of these differences, all of 

which have probably not been defined, the similarity 

between the effects of insecticides in humans and the 

effects of nerve agents in humans cannot be assumed. 

(as stated earlier, insecticides are included here only 

so that the similarities and differences can be noted; 

readers should be careful not to confuse the two.)

Polyneuropathy

Insecticides

organophosphorus ester–induced delayed neuro-

toxicity (oPiDn) has been recognized as a clinical syn-

drome in humans and animals for over 50 years. after 

exposure to certain organophosphates, incoordination, 

ataxia, spasticity, and flaccid paralysis develop over the 

following 1 to 3 weeks; the paralysis begins distally in 

the lower limbs and eventually spreads to the upper 

limbs. Part or all of the lesion may be reversible, but in 

its most severe form it can cause lifetime quadriplegia. 

Structural changes begin at the distal, nonmyelin-

ated portion of the nerve, followed by progressive 

demyelination associated with degeneration of more 

proximal nerve segments.

79 

this syndrome was initially 

associated with ingestion of triorthocresyl phosphate 

rather than an insecticide. after organophosphate 

insecticides became available, the syndrome was seen 

after exposure to some, but not all, of them.

79

the best animal model for studying the effects of 

exposure to organophosphates is the chicken.

80,81

 ex-

tensive studies have been performed to elucidate the 

mechanism of action that causes oPiDn and to screen 

new organophosphate insecticides for this effect.

79,80

 

the exact mechanism of action is still unknown, but 

much evidence suggests that the inhibition of neuro-

toxic esterase in nerve tissue is involved.

81

 adminis-

tration of oximes and atropine has no effect on the 

production of this neurotoxicity.

82

oPiDn is not seen with all insecticides.

79,80

 Gener-

ally, insecticides that have been shown to cause poly-

neuropathy have been removed from the market; only 

those that have been demonstrated not to cause this 

effect in animal models are available.

Nerve Agents

nerve agents have caused polyneuropathy in ani-

mals only at doses many fold greater than the lD

50

 

(the dose [D] that is lethal [l] to 50% of the exposed 

population)—doses that require massive pretreatment 

and therapy to ensure survival of the animals. Davies 

et al

83

 produced polyneuropathy in chickens with sarin 

only at 60 or more times the lD

50

. (the animals were 

protected with atropine and oxime to permit survival.) 

neuropathy was not detected at 8 times the lD

50 

of so-

man. Davies’s group also detected no polyneuropathy 

at doses of VX of 45 µmol/kg.

84

in  another  study,

85

  polyneuropathy  was  found 

in hens after 30 to 60 times the lD

50

 for sarin was 

administered, but not at 38 times the lD

50

 for soman 

or 82 times the lD

50

 for tabun. VX was not examined 

in this study because its ability to inhibit neurotoxic 

esterase is negligible. at 120 times the acute lD

50

 in 

hens, soman and tabun caused polyneuropathy in 

some surviving animals.

86

 Cyclosarin is a stronger 

inhibitor of neurotoxic esterase in vitro than the other 

nerve agents.

87

 however, cyclosarin, in addition to 

tabun, soman, and VX, did not cause polyneuropathy 

at very high doses.

88

 

Polyneuropathy has not been noted in the handful 

of humans severely exposed to nerve agents or in the 

hundreds of humans with mild-to-moderate effects 

from nerve agents. however, one report details a case 

study in which a patient who survived for 15 months 

following the tokyo sarin terrorist attack showed distal 

sensory axonopathy on postmortem analysis.

89 

the pa-

tient survived the initial attack, but was maintained on 

mechanical ventilation and total parenteral nutrition 

until he died of pneumonia. he initially showed signs 

of tremor and decerebrate rigidity, which changed to 

flaccid quadriparesis 6 months following the sarin in-

toxication. he then developed distal-dominant, severe 

muscle atrophy with clawhand and foot drop defor-

mity. the postmortem analysis confirmed the distal 

axonopathy as well as severe hypoxic-ischemic CnS 

damage. obvious limitations of this report include the 

fact that the patient was maintained for an extended 

period with life support and was largely immobile, 

and there is no information regarding the total sarin 

exposure the man received. nevertheless, the case 

report is one of the first to show temporally delayed 

distal neuropathy in humans. Studies using smaller 

doses of tabun, sarin, and soman are described in the 

toxicology section later in this chapter. 

muscle necrosis

Insecticides

necrosis of rat skeletal muscle in the region of the 

motor endplate has been noted after administration 

of cholinesterase-inhibiting compounds in amounts 

sufficient to cause signs.

90

 Swelling, eosinophilia, and 

background image

318

Medical Aspects of Chemical Warfare

loss of striations of myofibers can be observed by light 

microscopy in the motor endplate regions as early as 

2 hours after administration of the organophosphate, 

and the lesion is fully developed in 12 to 24 hours. in 

affected fibers, the sarcolemma remains intact and is 

the focus of later repair of the fiber. recovery begins in 

2 days and is complete by 2 weeks. the lesion can be 

prevented or lessened by denervation or by adminis-

tration of atropine and oxime within the first 2 hours; 

the lesion is more severe in muscles of high activity, 

such  as the  diaphragm, and in  type ii  fast-twitch 

muscle fibers.

90

muscle necrosis was seen in the diaphragm of a man 

who died after drinking parathion. no cholinesterase 

could be demonstrated in the myoneural junctions of 

any muscle, but necrosis was limited to the diaphragm. 

each focus involved one to four sarcomeres of both 

types of myofibers, varying from acute swelling to 

vacuolar disintegration of the fibers. the nerve endings 

in the segmental necrotic zones were degenerated.

91

Nerve Agents

the circumscribed muscular necrosis seen with 

insecticides  has  also  been  seen  after  sarin

92,93

  and 

tabun

94

 administration to experimental animals. Soman 

produced necrosis in one study,

95

 but not in another.

94

 

on stimulation of the nerve, the muscle was unable 

to sustain a tetanic contraction at frequencies of 100 

and 200 hz.

93

intermediate syndrome

Insecticides

a second type of delayed neurological manifestation 

of organophosphate insecticide poisoning is the “in-

termediate syndrome.” in a series of 200 consecutive 

cases of organophosphate insecticide poisoning, 36 

patients developed a weakness of the proximal muscles 

of the limbs, cranial nerve weaknesses, bilateral py-

ramidal tract signs, and areflexia.

96

 this disturbance 

began 12 to 84 hours after hospital admission. in most 

cases, the cholinergic crisis had resolved, and the 21 

patients who survived recovered completely by 96 

hours. the lesion was unresponsive to large amounts 

of atropine; 2-Pam Cl was not available. the authors 

of the report

96

 divided the signs of organophosphate 

intoxication into two groups, which they called type 

i and type ii. according to these authors, type i signs 

were muscarinic in nature and were amenable to at-

ropine therapy, whereas type ii signs were nicotinic 

in nature, appeared 12 to 48 hours after exposure, and 

were resistant to atropine therapy.

ten additional cases were later described.

97

 these 

patients received atropine (up to 40 mg every 24 h) 

and 2-Pam Cl (1 g every 12 hour for 24 to 48 h) during 

the cholinergic-crisis phase. about 24 to 96 hours after 

poisoning, the 10 patients developed a syndrome that 

included palsies of cranial nerves iii, iV, Vi, Vii, and 

X; weakness of the respiratory muscles (four patients 

required immediate intubation and assisted ventila-

tion at the onset of the syndrome); weakness of the 

proximal limb muscles; and pyramidal tract signs. 

recovery occurred in 5 to 18 days. electromyography 

in limb muscles and nerve conduction were normal. 

tetanic stimulation of the abductor pollicis brevis 

showed a marked fade with no posttetanic facilita-

tion. the authors of the report

45

 called this condition 

the “intermediate syndrome,” meaning that it is in-

termediate between the acute cholinergic effects and 

the later, well-recognized delayed polyneuropathy. 

Consequently, the term intermediate syndrome, rather 

than type ii signs, has been adopted. 

two additional cases of this syndrome were reported 

several years later; both patients required ventilatory 

support during the paralytic phase.

98

 in another series, 

29 of 90 patients with organophosphate poisoning 

had the intermediate syndrome.

99

 tetanic fade with no 

posttetanic facilitation was maximal between days 4 and 

6, and the response to electrical stimulation had returned 

to normal by 8 to 10 days. the author suggested that a 

neuromuscular junction defect was responsible for the 

lesion. other cases have since been reported

100–103

 and 

in some, the weakness or paralysis lasted for days to 

weeks. lack of early oxime therapy had been thought 

to contribute to the development of the syndrome,

104

 but 

it has occurred with adequate amounts of oxime.

100,101,105

 

the cause of this neuromuscular dysfunction has not 

been elucidated, nor has an animal model been de-

scribed. intermediate syndrome may be related to the 

myopathy seen at the neuromuscular junction. 

Nerve Agents

the occurrence of the intermediate syndrome fol-

lowing nerve agent exposure is not well character-

ized.

106

 in one experiment, single fiber electromyogra-

phy was used to examine the syndrome in volunteers 

exposed to a low level of sarin.

107 

Significant, albeit 

small, changes in single fiber electromyography were 

observed at 3 hours and at 3 days following exposure. 

however, the electromyographic changes did not ac-

company clinical neuromuscular symptoms. the small 

changes observed were resolved when the volunteers 

were evaluated 2 years later. 

another study examined the delayed neurotoxic 

effects of repeated sarin inhalation in mice.

108

 Female 

background image

319

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

Swiss mice received repeated whole-body exposure 

to 5 mg/m

3

, 20 minutes daily for 10 days. the mice 

were evaluated daily for changes in gross behavior, 

and 4 days following the last exposure, the mice were 

examined histopathologically. the sarin-exposed mice 

exhibited muscular weakness in the limbs, twitching, 

and slight ataxis on the 14th day (4 days after the final 

exposure), despite clear anti-aChe signs. the histopa-

thology results showed depressed neurotoxic esterase 

activity in the CnS and platelets, and axonal degenera-

tion was observed in the spinal cord. the time frame of 

onset of the observed results is consistent with the in-

termediate syndrome, but could potentially have been 

oPiDn. the report did not follow mice past the 4th day 

postexposure, so it is unclear whether the symptoms 

would have resolved. overall, there is limited infor-

mation regarding the occurrence of the intermediate 

syndrome following nerve agent exposure.

neuropsychiatric effects

many neuropsychiatric problems have been associ-

ated with single and repeated exposures to insecticides 

and nerve agents. in many cases these symptoms were 

studied shortly after the patients were exposed, and 

the duration of the problems was not noted. however, 

several studies examined the effects long after the acute 

insult. these effects include disturbances in memory, 

sleep, and vigilance; depression; posttraumatic stress 

disorder (PtSD); anxiety and irritability; and problems 

with information processing. in cases of exposure to 

nerve agents, the traumatic impact of experiencing 

a chemical warfare attack potentially confounds the 

evaluation of the long-term health effects of nerve 

agent exposure alone. thus, whether caused by the 

direct effects of the chemical compound or by the event 

itself, the neuropsychological effects presented will still 

require attention by the attending clinician.

Insecticides

in 1961 Gershon and Shaw

109

 described 16 patients 

with psychiatric problems who had been exposed to 

pesticides repeatedly over a 1.5- to 10-year period. Five 

were schizophrenic, seven were severely depressed, 

one was in a state of fugue, and all had impairment of 

memory and concentration. these conditions followed 

multiple symptomatic exposures to organophosphate 

insecticides, and the patients recovered within 6 to 12 

months after the onset of their signs and symptoms. 

Because neuropsychiatric sequelae of organophos-

phate insecticides had not been widely recognized, the 

authors suggested that these sequelae might be more 

common than generally thought. 

Gershon  and  Shaw’s  report  was  criticized

110,111

 

because no information on the exposure history was 

included; because few objective measures, either of 

mental status or of blood cholinesterase, were used; 

and because the conditions reported had not been 

reported in much larger series of patients exposed 

to organophosphate insecticides. later studies failed 

to find evidence of thought disorders after pesticide 

exposure,

112,113

 although diisopropyl fluorophosphate 

administration aggravated psychosis.

114

 less severe 

neuropsychiatric manifestations of organophosphate 

insecticide exposure, occurring either acutely or as 

sequelae, have been subsequently reported.

Durham et al

115

 examined 187 individuals who were 

routinely involved in pesticide work (eg, crop dusting) 

for mental alertness. the groups were people with 

varying degrees of exposure to organic phosphorus 

pesticides and the control group were persons with 

no known previous exposure to these materials. the 

subjects were studied, using a complex reaction time, 

(a) at the time of maximal work with insecticides and 

(b) during “nonexposure” periods. Control subjects 

were studied at similar times. Both groups, subjects 

and controls, did better on tests during nonexposure 

periods, and both groups scored poorer during the 

higher risk periods. the performance of the exposed 

subjects improved during and after convalescence. 

the authors emphasized repeatedly that mental ef-

fects were not seen in the absence of clinical signs of 

poisoning. Problems with memory after insecticide 

exposure were reported by Gershon and Shaw

109

 (the 

problems resolved 6 to 12 months after the acute expo-

sure) and by metcalf and holmes

113

 (the patients were 

studied more than a year after exposure). in the latter 

study, testing was performed to corroborate the report 

of memory deficit.  other reports have mentioned 

memory problems, but they provide few data.

Steenland et al

116

 examined 128 agricultural workers 

who had been previously poisoned with at least one 

organophosphate pesticide between 1982 and 1990. 

Subjects were evaluated using a neurological test bat-

tery that included assessments of mood, motor speed, 

sustained visual attention, hand-eye coordination, 

simple reaction time, coding speed, visual memory, 

serial digit learning and memory, dexterity, and pursuit 

aiming. total results showed consistent and significant 

impairments in mood scale, sustained visual attention, 

and coding speed. the researchers further performed 

a nerve conduction and vibrotactile sensitivity assess-

ment of the same population, observing that nerve 

conductions were normal, but vibrotactile sensitivity 

was reduced. together the results indicated that central 

and peripheral neurological damage related to organo-

phosphorus pesticide poisoning likely occurred.

background image

320

Medical Aspects of Chemical Warfare

anxiety, irritability, giddiness, tension, and rest-

lessness  persisting  for  months  after  exposure  to 

insecticides  were  reported  by  namba  et  al

117

  and 

by Gershon and Shaw.

109

 Both studies emphasized 

that  these  effects  occurred  only  in  patients  who 

had demonstrated symptoms of exposure.  metcalf 

and holmes

113

 reported similar effects, but did not 

indicate their  duration or the  time after exposure 

that they occurred. Depression has been reported

117

 

from insecticide exposure immediately following the 

acute symptomatic exposure, but it did not persist. 

more prolonged (6 to 12 months) depression has been 

reported

109

  after  insecticide  exposure. in  contrast, 

levin et al

112

 found no evidence of depression using 

a structured interview and a depression inventory in 

asymptomatic workers with histories of chronic expo-

sure. Sleep disturbances, such as excessive dreaming, 

nightmares,  and  insomnia,  generally  of  relatively 

short duration (days to weeks), after insecticide ex-

posure have also been reported.

113,117

 

Psychomotor performance has been evaluated after 

exposure to insecticides. rowntree et al

114

 found that 

daily administration of an organophosphate com-

pound caused slowness in thought and decreased 

performance  speed.  metcalf  and  holmes

113

  noted 

slowed thinking and calculation in patients who had 

been exposed to insecticides more than a year previ-

ously. Difficulties in concentration and vigilance have 

been reported after insecticide exposure,

109,113,115,117,118

 

although some of the studies indicate marginal de-

creases, and others lack objective data (eg, Gershon and 

Shaw

109

). in all of the cases, the impairment occurred 

after an episode in which the patient had exhibited 

symptoms of exposure to the compound. 

tabershaw and Cooper

119

 evaluated 87 patients 

who had been exposed to an organophosphate in-

secticide more than 3 years previously and who had 

had persistent complaints for over a 6-month period. 

the symptoms involved the visual, gastrointestinal, 

cardiorespiratory, and neuropsychiatric systems. in 

each instance, the complaint could be attributed to 

other problems; for example, several cases of visual 

blurring were due to presbyopia, a case of chronic 

abdominal pain was due to a peptic ulcer, and in one 

case, nervousness and tremors were due to chronic 

alcoholism.

in a more recent study, rosenstock et al

120

 examined 

38 patients more than a year after their hospitalization 

for organophosphate insecticide exposure. Control 

subjects had also worked with organophosphate in-

secticides but had not had a symptomatic exposure. 

the poisoned group did significantly less well than 

the control group on tests assessing a wide variety of 

neuropsychological functions, including auditory at-

tention, visual memory, visuomotor speed, sequencing 

and problem solving, and motor steadiness, reaction, 

and dexterity.

Nerve Agents

Bowers et al

68

 reported that subjects had difficulty 

with memory for 24 hours after they were given VX, 

but had no evidence of major thought disorders. other 

investigators

65

 noted depression acutely after nerve 

agent exposure, but the depression did not persist. 

Sleep disturbances were also short-lived.

68,121,122

 after 

exposure to VX, subjects had decreased performance 

on an arithmetic test, decreased reading comprehen-

sion, and decreased ability to play chess.

68

 in some 

instances these performance decrements occurred 

before other signs of intoxication or in the absence of 

other signs. impaired concentration and vigilance have 

been reported after nerve agent exposure.

121

 these ef-

fects can persist for several weeks after symptomatic 

exposure to nerve agents.

123

 

a report

122

 of 297 cases of accidental exposure to 

nerve agent among manufacturing workers indicated 

that about 20% of the individuals had neuropsychiatric 

effects such as disturbed sleep, disturbance in mood, 

irritability, nervousness, disturbance in ability to think 

clearly, absentmindedness, fatigability, and lighthead-

edness. the duration of these effects was not indicated, 

but the report noted that supervisors and coworkers 

detected these effects when the casualties returned to 

work prematurely.

a single subject, a biochemist exposed to soman, 

was evaluated at 2 weeks, 4 months, and 6 months after 

exposure, using a psychiatric interview and a battery 

of psychological tests.

71

 the person had been severely 

exposed, requiring ventilatory support for about 30 

minutes. on initial testing, he had high scores on the 

hypochondriasis and hysteria scales on the minnesota 

multiphasic Personality inventory; these improved on 

later testing. on the initial testing he did poorly on a 

visual retention task, word association proverbs, and 

an ink blot test. While taking the tests, he used delaying 

tactics, had difficulty generating verbal associations, 

and failed the harder proverbs. results on the later 

tests were much improved and indicated full use of 

his intellectual faculties. in another case, a physician 

was exposed to sarin and required ventilatory support 

for more than 3 hours. although psychiatric and psy-

chological studies were not performed, he returned to 

work after recovery with no apparent problems.

72

although few data on the duration of these neuro-

psychiatric effects in people exist, evidence suggests 

that they are relatively short-lived (days or weeks). 

Because of the nature of their work, people handling 

background image

321

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

nerve agents in manufacturing plants, at depots, or in 

research and development facilities were relatively few 

in number, tended to remain in the same job for a long 

period, and comprised closely knit groups. most were 

thoroughly familiar with the effects of nerve agents, 

and most knew their coworkers very well. if a worker 

did not seem “right,” his coworker or supervisor recog-

nized it.

122

 a medical facility dedicated to the treatment 

of nerve agent casualties, with a staff experienced in 

this type of injury, was always available; workers were 

encouraged to use it, and supervisors were instructed 

to send employees who were not “normal” to the medi-

cal facility for evaluation. 

one neuropsychiatric disorder that has been re-

ported to persist following the tokyo incident is PtSD. 

Soon after the events in the tokyo subway in 1995, 

one hospital reported that as many as 60% of patients 

exhibited symptomatic PtSD up to 6 months after the 

initial event.

124

 Furthermore, 32% of the victims were 

still feeling fear, 29% displayed insomnia, and 16% had 

flashbacks of their experience. Still others displayed 

depression (16%), irritability (16%), and persistent night-

mares (10%). a 5-year follow-up of 34 patients involved 

in the tokyo incident

125,126

 examined serum cholesterol, 

uric acid, cholinesterase, and PtSD. From this group, 

eight patients (23%) developed PtSD following the 

event, and two were diagnosed with the disorder at the 

time of the assessment. Comorbidity of PtSD with other 

mental illness, including anxiety, agoraphobia, panic 

disorders, and severe depression, was also observed 

in the group that developed the disorder. although no 

relationship of PtSD with cholesterol or uric acid was 

apparent, the disorder had a surprising relationship to 

serum cholinesterase. relative to patients who did not 

develop PtSD, the patients who developed PtSD had 

lower serum cholinesterase both within 3 days of the 

attack and 5 years following the event. however, both 

groups had significantly reduced cholinesterase im-

mediately following the attack versus the 5-year assess-

ment; thus, the relationship of reduced cholinesterase 

and PtSD is not readily apparent.

other studies show the development of PtSD with 

related neuropsychiatric symptoms in sarin-exposed 

patients following the tokyo subway incident, but 

not all showed persistent decreased cholinesterase. a 

group of 18 male and female sarin patients were neu-

robehaviorally assessed 6 to 8 months following the 

terrorist incident.

127

 relative to matched controls, the 

sarin patients presented with significantly depressed 

cholinesterase activity at the time of hospital admis-

sion that had recovered by the time of the assessment. 

at the follow-up assessment the sarin patients showed 

significantly more psychiatric symptoms; fatigue; im-

paired Wechslar adult intelligence Scale digit symbol 

performance (a measure of motor persistence, sustained 

attention, response speed, and visuomotor coordina-

tion); and extended latencies for P300 auditory event-

related and P100 visual brain-evoked potentials related 

to PtSD. the P300 evoked potential serves as a neural 

marker of the ability to allocate and sustain attention, 

and the P100 visual evoked potential is a marker for the 

conduction time from the retina to the visual cortex. 

in summary, studies intended to examine the neu-

ropsychiatric effects of organophosphate compounds 

vary in their adequacy, and in some instances the re-

sults are contradictory. most studies agree, however, 

that acute neuropsychiatric effects result from exposure 

to both insecticides and nerve agents. these effects in-

clude inability to concentrate, memory problems, sleep 

disturbances, anxiety, irritability, depression, problems 

with information processing and psychomotor tasks, 

and potentially PtSD. With pesticides, these effects 

do not occur in the absence of the conventional signs 

of poisoning. the duration of these effects is less well 

studied. Some studies suggest that after exposure to 

insecticides, problems might persist for a year or lon-

ger, but supporting data are not always provided. the 

two reports of patients exposed to nerve agents and 

personal observation suggest that these effects are of 

shorter duration in this class of compounds.

electroencephalographic abnormalities

Insecticides and Other Organophosphates

electroencephalographic abnormalities were re-

ported in subjects given daily doses of diisopropyl 

fluorophosphate for 2 to 7 days.

128

 these abnormali-

ties consisted of faster frequencies, higher voltages, 

and occasional bursts of slow waves of high voltage 

at 3 to 6 hz. their severity was directly related to the 

degree of initial cholinesterase inhibition. the changes 

persisted for 3 to 4 weeks. Changes were noted in the 

electroencephalograms (eeGs) of 50 industrial and 

agricultural workers within 72 hours of accidental 

exposure to insecticides (both organophosphate and 

chlorinated hydrocarbons, on separate occasions), 

although the relationship to work history, blood cho-

linesterase, and exposure type, duration, and severity 

were not mentioned.

113

Nerve Agents

in a patient severely intoxicated with sarin, an eeG 

(taken after the loss of consciousness but before the 

onset of convulsions) showed marked slowing, with 

bursts of high-voltage slow waves at 5 hz in the tem-

porofrontal leads. these abnormalities persisted for 6 

background image

322

Medical Aspects of Chemical Warfare

days, after which no residual effects were noted.

121

Because of the reports on insecticides and concern 

for employees working with or in the vicinity of nerve 

agents, the uS government sponsored a series of stud-

ies

129–132

 on the long-term effects of sarin exposure as 

seen in eeG examinations. in the first study, monkeys 

were dosed with sarin in one of two dose schedules: (1) 

a single large dose that produced convulsions or (2) a 

series of 10 weekly doses that caused no clinical effects. 

in the second study, workers who had had at least one 

documented exposure to sarin (signs, cholinesterase 

depression) more than a year before the study were 

evaluated. Control subjects were coworkers who had 

no possibility of organophosphate exposure.

in  the  nonhuman  primates,  animals  from  both 

dose schedules had increases in high-frequency beta 

activity a year after exposure. Spectral analysis of the 

eeGs of the humans showed increased beta activity in 

the sarin-exposed population compared to the control 

population. Visual reading of the records suggested 

decreased amounts of alpha and increased amounts 

of slow delta and theta activity in the exposed group. 

increased amounts of rapid-eye movement sleep in the 

exposed group were also found. individual records 

could not be categorized. the investigators noted that 

the relationship between these changes and alterations 

in brain function was not known.

Toxicological studies on nerve agents

the effects of exposure to nerve agents on a chronic 

or subchronic basis were reported in two studies on 

animals. in a two-part, 90-day study

133,134 

of subchronic 

exposure, rats were given one of three doses of tabun 

or soman 5 days per week by gavage. at the end of the 

study, no abnormalities were found on gross or histo-

logical examination of tissue. in a study

135 

of chronic 

exposure to sarin, dogs received a Cof 10 mg•min/m

3

 

of sarin over a 6-month period. Some animals were 

dosed 5 days per week, and some were dosed 7 days 

per week. no tissue abnormalities that could be attrib-

uted to the agent were noted on gross or microscopic 

examination. Several of the male animals were bred 

after the exposure and the pups were normal. in stud-

ies

136–139

 in which tabun, sarin, and soman were given 

to hens in single or multiple doses, in amounts maxi-

mally tolerated with the coadministration of atropine, 

no evidence of polyneuropathy was noted clinically or 

on microscopic examination.

Sarin and soman were deemed not mutagenic af-

ter they were studied using ames Salmonella, mouse 

lymphoma, and Chinese hamster ovary cell systems.

140

 

tabun was found to be weakly mutagenic in the mouse 

lymphoma cell test,

141

 Chinese hamster ovary system,

142

 

and ames bacterial system.

143

CYaniDe

Cyanide is a lethal poison that can produce death 

within  10  minutes.  Cyanide  compounds  are  used 

extensively in industry and are present in the environ-

ment from many sources. humans can be exposed to 

cyanide by ingestion, inhalation, or injection. however, 

humans produce minute quantities of cyanide for 

normal metabolic processes and also possess a limited 

capability to detoxify ingested or inhaled cyanide. this 

review of cyanide long-term effects differentiates the 

long-term outcomes of a high-level acute exposure as 

compared to a long-term exposure.

Physiology

Cyanide is a potent inhibitor of aerobic metabolism 

through interruption of oxygen binding within mito-

chondrial cytochrome oxidase. tissues that depend 

greatly on aerobic respiration, such as cardiac muscle 

and nerve tissue, are most affected. Besides these ef-

fects and those on many other enzymes, cyanide is 

also cardiotoxic and neurotoxic.

144 

much of the CnS 

toxicity of cyanide appears to be related to direct 

toxicity  on  neurons  with  glutamic  acid  receptors. 

Cyanide-induced striatal degeneration is mediated by 

short-term, high-level exposures affecting N-methyl 

d

-aspartate glutamate receptors.

145 

neuronal degen-

eration based upon long-term exposure to cyanide 

and its metabolites appears to be mediated through 

α

-amino-3-hydroxy-5-methyl-isoxazole-4-propionic 

acid glutamate receptors.

146 

Cyanide detoxification is extensively reviewed in 

Chapter 11, Cyanide Poisoning, though it is important 

to note that the primary biological means of detoxifica-

tion is the conversion of cyanide to thiocyanate through 

a sulphurtransferase reaction followed by urinary 

excretion.

Long-Term effects of an acute insult

outcomes  of  severe  cyanide  intoxications  are 

highly variable. many victims of moderate to severe 

exposures who recover have no sequelae. For others, 

the outcome often is a factor of timely diagnosis and 

effective treatment.

a chemical company that produces large quantities 

of cyanide for plastic manufacturing reported the re-

sults of eleven cyanide inhalations and two cutaneous 

exposures. the cases varied in severity of symptoms 

background image

323

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

from headache and dizziness to death (although only 

one person died, and this individual was in extremis 

when found). all individuals in the report who had 

vital signs at the time of discovery recovered. most of 

the victims inhaled cyanide fumes for 30 to 90 seconds 

and became unconscious with irregular respirations or 

apnea. all these patients received supportive care of 

bagged oxygen and amyl nitrite within 5 minutes. one 

surviving patient required intravenous antidotes as 

well as amyl nitrite, and the rest recovered with amyl 

nitrite and artificial ventilation alone. nearly all the 

patients recovered quickly, and some were even sent 

back to work after a few hours of observation. no long-

term effects were reported. these cases demonstrate 

the efficacy of simple field treatment if implemented 

within a few minutes of exposure. it is noteworthy 

that patients who remained conscious after inhalation 

of cyanide recovered with supplemental oxygen and 

no antidotes.

147 

medical reports from severe ingestions include vari-

ous outcomes. many patients responded to treatment 

and experienced complete recovery. other outcomes 

were difficult to discern because the patients may have 

developed global deficits from prolonged hypoxia. in 

some severe casualties, a distinct pattern of neurologi-

cal impairment occurred. the basal ganglia appeared 

to be particularly vulnerable to insult from cyanide, 

with frequent involvement of the globus pallidus and 

putamen.

148

 Symptoms reported were parkinsonian, 

with bradykinesia, shuffling gait, rigidity, and other 

symptoms resembling a generalized dystonia. Cogni-

tive function sometimes remained intact.

149

 in all cases 

with long term sequelae, the patients experienced 

significant delays of 30 minutes to hours before anti-

dote administration. (there are several excellent case 

examples in Chapter 11, Cyanide Poisoning.) 

Long-Term exposure

long-term exposure to cyanide contributes to a 

number of conditions, although the different diseases 

usually have several features in common. First, they are 

primarily neurological diseases. Second, they involved 

prolonged exposures to cyanide-containing food or 

medication. third, those affected tend to subsist on a 

monotonous diet with insufficient protein.

the most common dietary exposure is bitter cas-

sava root, Manihot esculenta Crantz, which is widely 

consumed in the tropics and sub-Saharan africa, where 

it ranks fourth in nutritional importance after rice, 

wheat, and maize. Cassava is a staple during times of 

famine because it can grow in poor soil and climate 

conditions. Cassava’s cyanogenicity confers immunity 

to pests. Procedures such as prolonged soaking, smash-

ing, or boiling are necessary to remove cyanogenic 

compounds such as linamarin. Fresh cassava roots can 

contain up to 1,500 mg hydrogen cyanide equivalent 

per kilogram.

145

 acute intoxications, even death, have 

resulted from consumption of raw cassava, though 

long-term exposures from incompletely processed 

cassava are more likely.

konzo (“tied legs”) is a form of spastic paraparesis 

found among poor rural populations of central and 

east africa who primarily consume cassava. it affects 

individuals of all ages. konzo is symmetrical, isolated, 

and permanent. it is associated with sensations of 

heaviness and weakness in legs that can cause the 

inability to stand. it is often present in entire families 

and varies in severity from a mild toe-scissor gait, to 

requiring a walking stick, and to the point where walk-

ing is not possible. those at risk for konzo have ankle 

clonus and lower extremity hyperreflexia.

150 

konzo is 

also associated with optic neuropathy.

151 

individuals 

with konzo are noted to have very high levels of uri-

nary thiocyanate. they are also protein deficient, with a 

great deal of ingested amino acid sulphur diverting to 

cyanide detoxification.

152 

linamarin has been identified 

as a specific toxic factor in this disease. it is also thought 

that overwhelmed detoxification mechanisms and an 

abrupt increase in metabolites over their chronic levels 

lead to the sudden clinical presentation of konzo.

153

tropical ataxic neuropathy is a distinct cyanide-re-

lated disease with several other names that is classi-

cally associated with prisoners of war or middle-aged 

and elderly persons in southwestern nigeria. it is a 

polyneuropathy associated with bilateral optic atro-

phy, bilateral neurosensory deafness, and sensory gait 

ataxia. this condition was widespread in nigeria until 

an improved diet resulting from the 1970s oil boom 

relegated this condition to rural areas.

154 

tropical ataxic 

neuropathy is a gradual onset, permanent condition 

associated thiocyanate, cyanate, and a monotonous 

cassava diet.

155

Smokers are known to have blood cyanide levels 

significantly higher than the nonsmoking popula-

tion.

156 

tobacco amblyopia is caused by chronic cya-

nide levels sometimes coupled with malnutrition and 

alcoholism. Symptoms are loss of color perception 

and decreased vision, which is often recoverable after 

discontinuation of smoking or even administration of 

cyanide antidotes. this once-common syndrome has 

become rare in the united States.

157

another cyanide-related disorder is leber heredi-

tary optic neuropathy (lhon). lhon, first described 

in 1871, is a maternally inherited disease of highly vari-

able penetrance that impairs oxidative phosphoryla-

tion. lhon is the model disease for mutations of the 

mitrochondrial genome. the disease is heteroplasmic, 

background image

324

Medical Aspects of Chemical Warfare

usually requiring more than 60% mutant genes for 

symptoms to present. Patients with lhon are normal 

until the sudden onset of blindness between the ages 

of 15 and 35.

158 

the stressor leading to cell death of the 

highly aerobic optic nerve is the elevated blood cyanide 

level associated with smoking and the associated blood 

cyanide level.

159 

Given the likely acute high-level exposure expected 

in a military environment, it is reasonable to ask wheth-

er cyanide exposure can lead to blindness in some 

individuals. this is theoretically possible in the small 

fragment of the population with lhon mutations, 

although no cases have been reported. there is only 

one case of blindness from acute cyanide poisoning in 

the literature, a temporary case caused by a sodium 

nitroprusside overdose.

160

Cyanide can also be responsible for some cases of 

goiter. elevated levels of thiocyanate as well as thyroid 

abnormalities have been documented in individuals 

on cyanogenic food diets and those in industries with 

chronic  exposures  such  as  electroplating.

161

  thio-

cyanate prevents uptake of iodine into the thyroid 

gland.

162

Patients with chronic renal failure who smoke have 

been known to develop a condition known as uremic 

neuropathy, a result of the accumulation of thiocya-

nate, the major detoxification metabolite of cyanide. 

in  these  patients,  thiocyanate  cannot  be  removed 

from the body, even with dialysis. treatment involves 

administration of hydroxocobalamin antidote, which 

uses a different chemical pathway.

163

Several conditions were previously thought to be 

associated with cyanide, including lathyrism, a neu-

rological disorder associated with grass pea ingestion. 

Subacute combined degeneration of the spinal cord, 

attributed to cyanide in the past, is now well known 

to be related to vitamin B12 metabolism. 

in summary, the long-term effects of cyanide expo-

sure are highly variable. Severe exposures and cases 

with delayed treatment may manifest in a Parkinso-

nian akinetic syndrome. long-term exposure to cya-

nide is likely in areas where cassava is the staple food 

and represents a likely risk to future prisoners of war 

in these areas. long-term cyanide exposure combined 

with poor protein intake leads to neuromotor and 

neurosensory disorders. Smoking represents a chronic 

cyanide exposure that may lead to permanent blind-

ness in rare individuals. most importantly, the majority 

of cyanide-exposed individuals who receive prompt 

treatment may expect no long-term sequelae following 

an acute cyanide exposure. this fact emphasizes the 

importance of prompt casualty care.

ToXiC inHaLaTion inJUrY

the pulmonary agents are absorbed almost exclu-

sively by inhalation. they readily penetrate to the 

level of the respiratory bronchioles and alveoli, that 

is, to the peripheral compartment of the respiratory 

tree. however, most of these agents are essentially 

consumed by reactions occurring at the alveolar-capil-

lary membrane, or more proximally in the respiratory 

tract, and are not systemically distributed to a clinically 

significant extent.

inhalation  of  selected  organohalides,  oxides  of 

nitrogen, and other compounds can result in varying 

degrees of pulmonary edema, usually after a symptom-

free period that varies in duration with the amount 

inhaled. Chemically induced acute lung injury by these 

agents involves a permeability defect in the blood–air 

barrier (the alveolar-capillary membrane); however, 

the precise mechanisms of toxicity remain an enigma. 

the united States produces over a billion pounds of 

phosgene per year for industrial uses; however, it is 

not stockpiled for military use.

Perfluoroisobutylene (PFiB) is a toxic pyrolysis 

product of tetrafluoroethylene polymers encountered 

in military materiel (eg, teflon [DuPont, Wilmington, 

Del] found in the interior of many military vehicles). 

the oxides of nitrogen are components of blast weap-

ons or may be toxic decomposition products. Smokes 

(eg, hC) contain toxic compounds that cause the same 

effects as phosgene.

164

 the long-term health effects of 

phosgene exposure also apply to casualties from agents 

such as PFiB and oxides of nitrogen.

165

Phosgene 

Phosgene produces pulmonary edema following a 

clinical latent period of variable length that depends 

primarily on the intensity of exposure (ie, the Ct), but 

also partly on the physical activity of the exposed indi-

vidual. after the latent period, the patient experiences 

worsening respiratory distress that at first is unaccom-

panied by objectively verifiable signs of pulmonary 

damage, but may progress relentlessly to pulmonary 

edema and death.

During the time preceding the appearance of short-

ness of breath, individuals exposed to particularly high 

concentrations of organohalides may report symp-

toms associated with mucous membrane irritation. 

exposure to large quantities of phosgene may irritate 

moist mucous membranes, presumably because of the 

generation of hydrochloric acid from the hydrolysis of 

phosgene. transient burning sensation in the eyes with 

background image

325

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

lacrimation and chemical conjunctivitis may coexist 

with mild, early onset cough and a substernal ache 

with a sensation of pressure. irritation of the larynx 

by very large concentrations of the agent may lead to 

sudden laryngeal spasm and death.

a clinical latent period during which the patient 

is  asymptomatic  may  follow  low  Ct  exposure  or 

the transient irritation associated with substantial 

phosgene exposure. this asymptomatic period may 

persist up to 24 hours after organohalide inhalation. 

the duration of the latent period is shorter following 

a high dose and is shortened by physical exertion 

following exposure.

the most prominent symptom following the clini-

cal latent period is dyspnea, perceived as shortness 

of  breath,  with  or  without  chest  tightness.  these 

sensations reflect hypoxemia, increased ventilatory 

drive, and decreased lung compliance, all of which 

result from the accumulation of fluid in the pulmo-

nary interstitial and peripheral airways. Fine crackles 

can be heard at the lung bases, but these may not be 

clearly audible unless auscultation is conducted after 

a forced expiration. later, auscultation reveals coarse 

crackles and rales in all lung fields, and increasing 

quantities of thin, watery secretions are noted. the 

buildup of fluid in the lungs has two clinically per-

tinent effects. First, developing pulmonary edema 

interferes with oxygen delivery to alveolar capillar-

ies and may lead to hypoxemia, and if a sufficient 

percentage of hemoglobin is unoxygenated, cyanosis 

will become apparent. Second, the sequestration of 

plasma-derived fluid (up to 1 l per hour) in the lungs 

may lead to hypovolemia and hypotension, interfer-

ing with oxygen delivery to the brain, kidneys, and 

other crucial organs. Death results from respiratory 

failure, hypoxemia, hypovolemia, or a combination 

of  these  factors.  hypoxia  and  hypotension  may 

progress particularly rapidly, which suggests a poor 

prognosis. the development of symptoms and signs 

of pulmonary edema within 4 hours of exposure is 

an especially accurate indicator of a poor prognosis; 

in the  absence of immediately available intensive 

medical support, such patients are at high risk of 

death. Complications include infection of damaged 

lungs and delayed deaths following such respira-

tory infections.

164 

Several studies sponsored by the 

Veterans administration using animals and humans 

reported that after phosgene exposure pulmonary 

edema appeared very early.

166

 in July 1920, Winternitz’s

167

 report on experimental 

work with dogs revealed acute changes in the cardiore-

spiratory system following exposure to lethal concen-

trations of phosgene. the upper portion of the respira-

tory tract was not affected, but the alveoli of the lungs 

and the finer bronchi gave evidence of congestion, 

inflammation, and edema. the inflammatory reaction 

following phosgene exposure resulted in congestion 

of the bronchial and spread into the surrounding air 

cells, indicative of an early bronchopneumonia with 

a marked edema of the lungs. Dilatation, reflex bron-

chiolar spasm, and plugging of the bronchiols with 

exudates led to patches of atelectasis and emphysema. 

a substantial amount of fibrin on alveolar walls, cross-

ing and obstructing the capillaries, led to resistance in 

the pulmonary circulation, with a consequent dilata-

tion of the right heart. in the dogs, damage occurred 

principally in the respiratory tract, and lesions varied 

according to the length of survival after the exposure. 

initial pulmonary edema associated with congestion 

reached a maximum intensity toward the end of the 

first 24 hours and gradually disappeared in animals 

surviving 10 days or longer. With the edema, there was 

an associated inflammatory exudation of fibrin and 

leucocytes. this cellular exudate was found especially 

in the finer bronchioles and extended into the alveo-

lar tissue. it was suggestive of a lobular pneumonia. 

the pneumonia was frequently complicated by nec-

rotization of the walls of the bronchioles, which also 

involved the adjacent alveoli and resulted in abscess 

formation. in some cases, although the inflammatory 

process was succesesfully overcome, an obliterative 

bronchiolitis resulted. 

in the exposed dogs, the pathology was localized to 

the trachea and bronchi. the epithelium of the trachea 

and larger bronchi was damaged, while the smaller 

bronchi and bronchioles were the most seriously af-

fected. in addition to changes in the mucosa, there 

were contractions, distortions of the bronchioles, and 

more or less obliteration of the lumina. all this led to 

mechanical disturbance in the air sacs, with resting 

atelectasis and emphysema.

the Veterans administration conducted a study 

reviewing the histories of 10 veterans who had been 

gassed with phosgene and showed evidence of physi-

cal effects a number of years later.

166

 this historical 

study revealed that chronic bronchitis was the most fre-

quent long-term effect noted. emphysema was noted 

in three of the veterans, pulmonary fibrosis was noted 

in two, chronic-active pulmonary tuberculosis was 

found in one case, and bronchial asthma was found in 

another. this study also revealed that the symptoms of 

the pulmonary disabilities were observed immediately 

after the phosgene gas exposure and continued to be 

the causative factor the long-term pulmonary effects 

at the time of the study.

166 

according to the Veterans administration, the fol-

lowing pathological changes were noted in soldiers 

who died following phosgene gas exposure

166

:

background image

326

Medical Aspects of Chemical Warfare

 •

Pulmonary  edema,  usually  very  marked, 

occurred. the pleural cavities generally con-

tained an excess of fluid. 

 •

the lungs, upon removal from the thorax, 

were voluminous, heavy, and bluish-red in 

color; occasionally, petechial hemorrhages 

and alternating patches of emphysema and 

collapsed lung tissue were noted.

 •

Section  of  lungs  showed  an  exudation  of 

frothy fluid from the cut surface.

 •

irregular, alternating areas of edema and acute 

emphysema were noted.

 •

the trachea, bronchi, and bronchiole were 

generally filled with thin, yellowish, serosan-

guineous fluid.

 •

there was little or no inflammatory change in 

the larynx, trachea, and bronchi.

 •

the veins were engorged. 

 •

the heart, especially on the right side, was 

dilated. 

 •

Petechial hemorrhages were often found be-

neath the endocardium. 

 •

the pericardial fluid increased in amount.

 •

the abdominal viscera showed the presence 

of  generalized  venous  engorgement  and 

congestion.

 •

the meninges of the brain were congested.

methyl isocyanate

in December 1984, in Bhopal, india, a massive leak 

of methyl isocyanate resulted from operational and 

equipment malfunctions in a pesticide plant. many 

thousands of residents of the city, most in proximity 

to the plant, suffered sublethal and lethal respiratory 

injuries, the expected consequences of high-level ex-

posure to this type of potent irritant chemical vapor. 

animal toxicological information was limited prior 

to the accident, but has since confirmed that the lung 

is the major target of these lethal injuries, invariably 

with pulmonary edema. early concerns about acute 

cyanide intoxication were not supported by subse-

quent scientific inquiry. Superficial corneal erosions 

did not result in permanent eye injury. the primary 

unresolved (and perhaps irresolvable) medical is-

sue is the incidence and determinants of long-term 

respiratory injury in the survivors. limited available 

evidence suggests that chronic damage, when pres-

ent, is or resembles fibrosing bronchiolitis obliterans, 

the expected consequence when permanent injury 

results from acute, high-level irritant gas exposure. 

Definition of the follow-up population is uncertain, 

and exposure information is lacking. Dose-response 

relationships are not likely to emerge from follow-up 

studies.

168

 

Perfluoroisobutylene 

PFiB primarily affects the peripheral compartment of 

the pulmonary system. although animal studies occa-

sionally report disseminated intravascular coagulation 

and other organ involvement, these effects only occur 

with substantial pulmonary injury to the peripheral 

compartment of the pulmonary system, suggesting that 

systemic hypoxia is a major factor.

169

 no human studies 

have reported organ involvement other than the respira-

tory system. Pathological data on acute human exposure 

to PFiB are not available; however, pathological data on 

animals show both histological and ultramicroscopic 

changes occurring within 5 minutes of exposure.

170

 

interstitial  edema  with  alveolar  fibrin  deposition 

progresses rapidly over 24 hours, and then gradually 

subsides until the patient is fully recovered. at 72 hours, 

a type ii pneumocyte hyperplasia is seen (interpreted 

as consistent with known reparative processes). Some 

long-term pathological changes in animals have been 

noted but most animal studies do not identify such 

long-term effects.

171

 human long-term pathological data 

are available for only one reported case: a 50-year-old 

woman who experienced approximately 40 episodes of 

polymer fume fever—typically occurring from smoking 

contaminated cigarettes. eighteen months after her last 

episode, progressive exercise dyspnea was noted. a car-

diopulmonary physical examination, chest radiograph, 

and arterial blood gas were all normal. Pulmonary 

function testing supported a provisional diagnosis of 

alveolar capillary block syndrome (decreased diffu-

sion capacity of carbon monoxide, increased exercise 

alveolar-arterial oxygen gradient, and minimal airway 

disease). Death occurred from an unrelated cause. the 

autopsy provided histological evidence of moderate 

interstitial fibrosis with minimal chronic inflammatory 

cell infiltrate.

172 

only two human deaths from pyrolysis 

products of polymerized organofluorides have been 

reported.

173,174

 

oxides of nitrogen

inhalation of nitric oxide causes the formation of 

methemoglobin. inhalation of nitrogen dioxide results 

in the formation of nitrite, which leads to a fall in blood 

pressure, production of methemoglobin, and cellular 

hypoxia, which causes rapid onset pulmonary edema.

the clinical response to oxides of nitrogen exposure 

is essentially triphasic. in phase 1, symptoms appear 

more or less quickly, depending on the intensity of 

exposure. With a low dose, initial eye irritation, throat 

tightness, chest tightness, cough, and mild nausea may 

appear. once the casualty is removed from the source 

of exposure, these symptoms disappear spontaneously 

over the next 24 hours. however, at 24 to 36 hours  

background image

327

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

postexposure, a particularly severe respiratory symp-

tom complex may appear suddenly; exertion seems 

to be a prominent precipitating factor. there may be 

severe cough, dyspnea, and rapid onset of pulmonary 

edema. if the patient survives this stage, spontaneous 

remission occurs within 48 to 72 hours postexposure. 

more intense exposures produce a relatively rapid on-

set of acute bronchiolitis with severe cough, dyspnea, 

and weakness, without the above-mentioned latent 

period. again, spontaneous remission occurs at ap-

proximately 3 to 4 days postexposure.

175

Phase 2 is a relatively asymptomatic period lasting 

approximately 2 to 5 weeks. a mild residual cough 

with malaise and perhaps minimal shortness of breath 

may occur, as well as a sense of weakness that may 

progress. the chest radiograph, however, typically is 

clear. in phase 3, symptoms may recur 3 to 6 weeks 

after the initial exposure. Severe cough, fever, chills, 

dyspnea, and cyanosis may develop. Crackles are 

identified on physical examination of the lung. the 

polymorphonuclear white blood cell count is elevated, 

and the partial pressure of carbon dioxide may be el-

evated as well.

176

 the chest radiograph demonstrates 

diffuse,  scattered,  fluffy  nodules  of  various  sizes, 

which may become confluent progressively, with a 

butterfly pulmonary edema pattern and a prominent 

acinar component. at this point, pathological study 

demonstrates classic bronchiolitis fibrosis obliterans, 

which may clear spontaneously or may progress to 

severe, occasionally lethal respiratory failure. the 

fluffy nodular changes noted in the chest radiograph 

typically show no clinical improvement. Pulmonary 

function testing may show long-term persistence of 

airways obstruction.

177–179

Zinc oxide

hexachloroethane (hC) smoke, a mixture of equal 

amounts of hC and zinc oxide with additional ingre-

dients, is a toxic military smoke and obscurant. hC’s 

toxicity is attributed to the irritating effects of zinc 

chloride. most likely, carbon monoxide, phosgene, 

hexachloroethane, and other products contribute to 

the observed respiratory effects. the damage to the 

pulmonary system is confined largely to the upper 

respiratory tract, where zinc chloride acts much like 

a corrosive irritant. Studies reveal that hC exposure 

can produce a gradual decrease in total lung capac-

ity, vital capacity, and diffusion capacity of carbon 

monoxide.  hC  is  associated  with  the  presence  of 

pulmonary edema, increased airway resistance, and 

decreased compliance. When hC smoke exposure is 

discontinued, the pulmonary changes are reversible in 

all but 10% to 20% of those effected, who could develop 

pulmonary fibrotic changes.

180

 

in  a  study  by  Conner  et  al

181

  performed  with 

guinea pigs, exposure to ultrafine hC particles (0.05 

µm)  in  increasing  degrees  was  associated  with  a 

dose-response elevation in protein, neutrophils, and 

angiotensin-converting enzyme found in lavage fluid. 

a direct relationship also was observed with alkaline 

phosphatase, acid phosphatase, and lactate dehydro-

genase in lavage fluid. Centriacinar inflammation was 

seen histologically, indicating evidence of pulmonary 

damage. a study by marrs et al

182

 involving mice, rats, 

and guinea pigs demonstrated a positive association 

of alveologenic carcinoma in a dose-response trend 

to hC smoke, as well as a variety of inflammatory 

changes. the article states that hexachloroethane and 

zinc, as well as carbon tetrachloride (which may be 

present in hC smoke), may be animal carcinogens in 

certain circumstances. this raises the suspicion of hC 

as a potential carcinogen. 

metal fume fever is a well-documented acute dis-

ease induced by intense inhalation of metal oxides, 

especially zinc oxide. the exact pathology is not un-

derstood, but the clinical syndrome is well described 

and has been studied at length. a study by kuschner 

et al

183

 on human volunteers showed that pulmonary 

cytokines such as tumor necrosis factor, interleukin 

6, and interleukin 8 may play important initial roles 

in mediating metal fume fever. Prolonged exposures 

or exposures to very high doses of hC may result 

in sudden early  collapse  and death, possible as a 

result of laryngeal edema or glottal spasm. if severe 

exposure does not kill the individual immediately, 

hemorrhagic ulceration of the upper airway may oc-

cur, with paroxysmal cough and bloody secretions. 

Death may occur within hours secondary to an acute 

tracheobronchitis.

most  individuals  with  hC  inhalation  injuries 

progress to complete recovery. of exposed individu-

als, 10% to 20% develop fibrotic pulmonary changes. 

Distinguishing between those who will recover and 

those who will not is difficult, because both groups 

make an early clinical recovery.

sUmmarY

a wide variety of chemical agents and industrial 

products are associated with long-term health con-

sequences after an acute insult. others are known 

to be harmful with prolonged low-level exposure. 

the linkage between these associations is sometimes 

tenuous given the limitations of retrospective studies 

and case reports up to 90 years old. research labo-

ratory efforts and future case reports will continue 

background image

328

Medical Aspects of Chemical Warfare

to strengthen the understanding of these effects. in 

the meantime, the existing knowledge base provides 

clinicians sufficient reason to monitor for these pos-

sible  outcomes  and  apply  proactive  surveillance 

to individuals working with these chemicals on a 

daily basis.

reFerenCeS 

  1.  Prentiss am. Chemicals in War: A Treatise on Chemical Warfare. new York, nY: mcGraw-hill; 1937: 653.

  2.  robinson JP. The Rise of CB Weapons. Vol 1. in: The Problem of Chemical and Biological Warfare. new York, nY: humanities 

Press; 1971.

  3.  united nations Security Council. Report of Specialists Appointed by the Secretary General to Investigate Allegations by 

the Islamic Republic of Iran Concerning the Use of Chemical Weapons. new York, nY: united nations; 1984. un report 

S/16433.

  4.  Wade JV, Gum rm, Dunn ma. medical chemical defense in operations Desert Shield and Desert Storm. J US Army 

Med Dept. 1992;1/2:34–36.

  5.  Sidell Fr. the medical management of chemical casualty course in ConuS and europe during Desert Storm. J US 

Army Med Dept. 1992;3/4:10–12.

  6.  Papirmeister B, Feister aJ, robinson Si, Ford rD. Medical Defense Against Mustard Gas: Toxic Mechanisms and Pharma-

cological Implications. Boca raton, Fla: CrC Press; 1991.

  7.  Sidell Fr. Clinical considerations in nerve agent intoxication. in: Somani Sm, ed. Chemical Warfare Agents. San Diego, 

Calif: academic Press; 1992: 156–194.

  8.  Balali-mood m, navaeian a. Clinical and paraclinical findings in 233 patients with sulfur mustard poisoning. in: 

Proceedings of the 2nd World Congress on New Compounds in Biological and Chemical Warfare: Toxicological Evaluation, In-

dustrial Chemical Disasters, Civil Protection and Treatment24–27 August 1986. Ghent, Belgium: international association 

of Forensic toxicologists; 1986: 464–473.

  9.  Warthin aS, Weller CV. the lesions of the respiratory and gastrointestinal tract produced by mustard gas (dichlorethyl 

sulphide). J Lab Clin Med. 1919;4:229–264.

  10.  Sohrabpour h. Clinical manifestations of chemical agents on iranian combatants during the iran–iraq conflict. in: 

heyndrickx a, ed. Proceedings of the 1st World Congress on New Compounds in Biological and Chemical Warfare: Toxicologi-

cal Evaluation21–23 May 1984. Ghent, Belgium: State university of Ghent; 1984: 291–297.

  11.  Vedder eB, ed. The Medical Aspects of Chemical Warfare. Baltimore, md: Williams & Wilkins; 1925.

  12.  renshaw B. mechanisms in production of cutaneous injuries by sulfur and nitrogen mustards. in: Chemical Warfare 

Agents and Related Chemical Problems. Parts 3–6. Washington, DC: office of Scientific research and Development, na-

tional Defense research Committee, Div 9; 1946: 478–520.

  13.  reed Ci. the minimum concentration of dichlorethylsulphide (mustard gas) effective for the eyes of man. J Pharmacol 

Exp Ther. 1920;15:77–80.

  14.  morgenstern P, koss Fr, alexander WW. residual mustard gas bronchitis: effects of prolonged exposure to low con-

centrations of mustard gas. Ann Intern Med. 1947;26:27–40.

  15.  Buscher h. Green and Yellow Cross. Conway n, trans. Cincinnati, ohio: kettering laboratory of applied Physiology, 

university of Cincinnati; 1944.

  16.  Prokes J, Svovoda V, hynie i, Proksova m, keel k. the influence of x-radiation and mustard gas on methionin-35S 

incorporation in erythrocytes. Neoplasma. 1968;15:393–398.

background image

329

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

  17.  manning kP, Skegg DC, Stell Pm, Doll r. Cancer of the larynx and other occupational hazards of mustard gas work-

ers. Clin Otolaryngol Allied Sci. 1981;6:165–170.

  18.  heston We. induction of pulmonary tumors in strain a mice with methyl-bis (beta-chloroethyl)amine hydrochloride. 

J Natl Cancer Inst. 1949;10:125–130. 

  19.  Pechura Cm, rall DP, eds. Veterans at Risk: The Health Effects of Mustard Gas and Lewisite. Washington, DC: national 

academy Press; 1993. 

  20.  afshinniaz F, Ghanei m. Relationship of the Chronic Respiratory Symptoms With Spirometric and Laboratory Parameters 

[dissertation]. isfahan, iran: isfahan university of medical Sciences; 1996.

  21.  Balali m. the evaluation of late toxic effects of sulfur mustard poisoning in 1428 iranian veterans. in: Proceedings of 

the Seminar on Late Complications of Chemical Warfare Agents in Iranian Veterans. tehran, iran: Veteran Foundation; 1992: 

15–37. 

  22.  Balali-mood m. First report of delayed toxic effect of Yperite poisoning in iranian fighters. in: Proceedings of the 2nd 

World Congress on New Compounds in Biological and Chemical Warfare: Toxicological Evaluation, Industrial Chemical Disasters, 

Civil Protection and Treatment24–27 August 1986. Ghent, Belgium: international association of Forensic toxicologists; 

1986: 489495.

  23.  Balali-mood m, hefazi m, mahmoudi m, et al. long term complications of sulfur mustard poisoning in severely 

intoxicated iranian veterans. Fundam Clin. Pharmacol. 2005;19:713–721.

  24.  Ghanei m, Vosoghi aa. an epidemiologic study to screen for chronic myelocytic leukemia in war victims exposed to 

mustard gas. Environ Health Prespect. 2002;110:519–521. 

  25.  hefazi m, attaran D, mahmoudi m, Balali-mood m. late respiratory complications of mustard gas poisoning in 

iranian veterans. Inhal Toxicol. 2005;17:587–592. 

  26.  khateri S, Ghanei m, Soroush m, haines D. incidence of lung, eye and skin lesions as late complications in 34,000 

iranians with wartime exposure to mustard agent. J Occ Environ Med. 2003; 452:1136–1143. 

  27.  Balali-mood m, hefazi m. Comparison of early and late toxic effects of sulfur mustard in iranian veterans. Basic Clin 

Parma Toxicol. 2006;99:273–282.

  28.  heston We. Carcinogenic action of the mustards. J Natl Cancer Inst. 1950;11:415–423.

  29.  heston We. occurrence of tumors in mice injected subcutaneously with sulfur mustard and nitrogen mustard. J Natl 

Cancer Inst. 1953;14:131–140.

  30.  mcnamara BP, owens eJ, Christensen mk, Vocci FJ, Ford DF, rozimarek h. Toxicological Basis for Controlling Levels of 

Mustard in the Environment. aberdeen Proving Ground, md: edgewood arsenal Biomedical laboratory; 1975. eB-SP-

74030.

  31.  Case ram, lea aJ. mustard gas poisoning, chronic bronchitis, and lung cancer: an investigation into the possibility 

that poisoning by mustard gas in the 1914–1918 war might be a factor in the production of neoplasia. Br J Prev Soc 

Med. 1955;9:62–72.

  32.  norman Jr Jr. lung cancer mortality in World War i veterans with mustard-gas injury: 1919–1965. J Natl Cancer Inst

1975;54:311–317.

  33.  Fletcher C, Peto r, tinker C, Speizer Fe. The Natural History of Chronic Bronchitis and Emphysema. oxford, england: 

oxford university Press; 1976.

  34.  Wada S, miyanishi m, nashimoto Y, kambe S, miller rW. mustard gas as a cause of respiratory neoplasia in man

Lancet. 1968;1:1161–1163.

background image

330

Medical Aspects of Chemical Warfare

  35.  easton DF, Peto J, Doll r. Cancers of the respiratory tract in mustard gas workers. Br J Ind Med. 1988;45:652–659.

  36.  minoue r, Shizushiri S. occupationally-related lung cancer—cancer of the respiratory tract as sequentia from poison 

gas plants. Jpn J Thorac Dis. 1980;18:845–859.

  37.  albro PW, Fishbein l. Gas chromatography of sulfur mustard and its analogs. J Chromatogr. 1970;46:202–203.

  38.  Yanagida J, hozawa S, ishioka S, et al. Somatic mutation in peripheral lymphocytes of former workers at the okuno-

jima poison gas factory. Jpn J Cancer Res. 1988;79:1276–1283.

  39.  Watson aP, Jones tD, Grinnin GD. Sulfur mustard as a carcinogen: application of relative potency analysis to the 

chemical warfare agents h, hD, and ht. Regul Toxicol Pharmacol. 1989;10:1–25.

  40.  Willems Jl. Clinical management of mustard gas casualties. Ann Med Milit Belg. 1989;3(suppl):1–61.

  41.  urbanetti JS. Battlefield chemical inhalation injury. in: loke J, ed. Pathophysiology and Treatment of Inhalation Injuries. 

new York, nY: marcel Dekker; 1988.

  42.  Balali m. Clinical and laboratory findings in iranian fighters with chemical gas poisoning. in: heyndrickx B, ed. Pro-

ceedings of the 1st World Congress on New Compounds in Biological and Chemical Warfare: Toxicological Evaluation21–23 

May 1984. Ghent, Belgium: State university of Ghent; 1984: 254–259.

  43.  Freitag l, Firusian n, Stamatis G, Greschuchna D. the role of bronchoscopy in pulmonary complications due to 

mustard gas inhalation. Chest. 1991;100:1436–1441.

  44.  Gilchrist hl. A Comparative Study of World War Casualties From Gas and Other Weapons. edgewood arsenal, md: uS 

Chemical Warfare School; 1928.

  45.  Beebe GW. lung cancer in World War i veterans: possible relation to mustard-gas injury and 1918 influenza epidemic. 

J Natl Cancer Inst. 1960;25:1231–1252.

  46.  Winternitz mC. anatomical changes in the respiratory tract initiated by irritating gases. Milit Surg. 1919;44:476–493.

  47.  rimm Wr, Bahn CF. Vesicant injury to the eye. in: Proceedings of the Vesicant Workshop, February 1987. aberdeen Prov-

ing Ground, md: uS army medical research institute of Chemical Defense; 1987.

  48.  hughes WF Jr. mustard gas injuries to the eyes. Arch Ophthalmol. 1942;27:582–601.

  49.  Blodi FC. mustard gas keratopathy. Int Ophthalmol Clin. 1971;2:1–13.

  50.  Duke-elder S, macFaul Pa. Chemical injuries. in: Duke-elder S, macFaul Pa, eds. Injuries. Vol 14. in: Duke-elder S, 

macFaul Pa, eds, System of Ophthalmology. St. louis, mo: CV mosby; 1972.

  51.  Duke-elder WS, macFaul Pa, eds. System of Ophthalmology. St. louis, mo: CV mosby; 1958–1976.

  52.  otto Ce. A Preliminary Report on the Ocular Action of Dichlorethyl Sulfide (Mustard Gas) in Man as Seen at Edgewood Arsenal

edgewood, maryland. edgewood arsenal, md: Chemical Warfare Service; 1946. eal 539.

  53.  novick m, Gard Dh, hardy SB, Spira m. Burn scar carcinoma: a review and analysis of 46 cases. J Trauma. 1977;17:809–817.

  54.  treves n, Pack Gt. Development of cancer in burn scars: analysis and report of 34 cases.  Surg Gynecol Obstet

1930;51:749–782.

  55.  inada S, hiragun k, Seo k, Yamura t. multiple Bowen’s disease observed in former workers of a poison gas factory 

in Japan with special reference to mustard gas exposure. J Dermatol. 1978;5:49–60.

  56.  uS army, uS navy, and uS air Force. Vesicants (blister agents). Section i—mustard and nitrogen mustard. in: NATO Hand-

book on the Medical Aspects of NBC Defensive Operations. Washington, DC: uS army, uS navy, uS air Force; 1973. amedP-6.

background image

331

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

  57.  anslow WP, houch Cr. Systemic pharmacology and pathology of sulfur and nitrogen mustards. in: Chemical Warfare 

Agents and Related Chemical Problems. Washington, DC: office of Scientific research and Development; 1946.

  58.  lohs k. Delayed Toxic Effects of Chemical Warfare Agents. Stockholm, Sweden: almqvist & Wilksell; 1979. SiPri monograph.

  59.  lawley PD, lethbridge Jh, edwards Pa, Shooter kV. inactivation of bacteriophage t7 by mono- and difunctional 

sulphur mustards in relation to crosslinking and depurination of bacteriophage Dna. J Mol Biol. 1969;39:181–198.

  60.  Flamm WG, Bernheim nJ, Fishbein l. on the existence of intrastrand crosslinks in Dna alkylated with sulfur mustard. 

Biochim Biophys Acta. 1970;224:657–659.

  61.  Fox m, Scott D. the genetic toxicology of nitrogen and sulphur mustard. Mutat Res. 1980;75:131–168.

  62.  Scott D, Fox m, Fox BW. the relationship between chromosomal aberrations, survival and Dna repair in tumor cell 

lines of differential sensitivity to X-rays and sulphur mustard. Mutat Res. 1974;22:207–221.

  63.  Wulf hC, aasted a, Darre e, neibuhr e. Sister chromatid exchanges in fishermen exposed to leaking mustard gas 

shells. Lancet. 1985;1:690–691.

  64.  Sasser lB, miller ra, kalkwarf Dr, Buschbom rl, Cushing Ja. Toxicology Studies on Lewisite and Sulfur Mustard Agents: 

Two-Generation Reproduction Study of Sulfur Mustard (HD) in Rats. richland, Wash: Pacific northwest laboratory; 1989.

  65.  taylor P. anticholinesterase agents. in: hardman JG, limbird le, Gilman aG, eds. The Pharmacological Basis of Thera-

peutics. new York, nY: Pergamon Press; 2001: 175–193.

  66.  albuquerque eX, akaike a, Shaw kP, rickett Dl. the interaction of anticholinesterase agents with the acetylcholine 

receptor–ionic channel complex. Fundam Appl Toxicol. 1984;4:S27–S33.

  67.  o’neill JJ. non-cholinesterase effects of anticholinesterases. Fundam Appl Toxicol. 1981;1:154–169.

  68.  Bowers mB, Goodman e, Sim Vm. Some behavioral changes in man following anticholinesterase administration. 

Nerv Ment Dis. 1964;138:383–389.

  69.  Craig Fn, Cummings eG, Sim Vm. environmental temperature and the percutaneous absorption of a cholinesterase 

inhibitor, VX. J Invest Dermatol. 1977;68:357–361.

  70.  Johns rJ. The Effects of Low Concentrations of GB on the Human Eye. edgewood arsenal, md: medical research labora-

tory; 1952. mrl report 100.

  71.  Sidell Fr. Soman and sarin: clinical manifestations and treatment of accidental poisoning by organophosphates. Clin 

Toxicol. 1974;7:1–17.

  72.  Ward Jr. exposure to a nerve gas. in: Whittenberger Jl, ed. Artificial Respiration: Theory and Applications. new York, 

nY: harper & row; 1962: 258–265.

  73.  Program executive officer–Program manager of Chemical Demilitarization. Chemical Stockpile Disposal Program Final 

Programmatic Environmental Impact Statement. aberdeen Proving Ground, md: Program executive officer–Program 

manager of Chemical Demilitarization; 1988: B-23–B-25.

  74.  Sidell Fr, Groff Wa. the reactivatibility of cholinesterase inhibited by VX and sarin in man. Toxicol Appl Pharmacol

1974;27:241–252.

  75.  Boskovic B, kusic r. long-term effects of acute exposure to nerve gases upon human health. in: Chemical Weapons: 

Destruction and Conversion. new York, nY: Crane, russak; 1980: 113–116.

  76.  Fullerton CS, ursano rJ. Behavioral and psychological responses to chemical and biological warfare. Mil Med

1990;155:54–59.

background image

332

Medical Aspects of Chemical Warfare

  77.  Chew lS, Chee kt, Yeeo Jm, Jayaratnam FJ. Continuous atropine infusion in the management of organophosphorus 

insecticide poisoning. Singapore Med J. 1971;12:80–85.

  78.  leBlanc Fn, Benson Be, Gilg aD. a severe organophosphate poisoning requiring the use of an atropine drip. Clin 

Toxicol. 1986;24:69–76.

  79.  metcalf rl. historical perspective of organophosphorus ester-induced delayed neurotoxicity. in: Cranmer Jm, hixson 

eJ, eds. Delayed Neurotoxicity. little rock, ark: intox Press; 1984: 7–23.

  80.  takade DY. Delayed neurotoxicity in perspective: summary and objectives of the workshop. in: Cranmer Jm, hixson 

eJ, eds. Delayed Neurotoxicity. little rock, ark: intox Press; 1984: 2–6.

  81.  Johnson mk. organophosphorus esters causing delayed neurotoxic effects. Arch Toxicol. 1975;34:259–288.

  82.  Davies Dr, holland P. effect of oximes and atropine upon the development of delayed neurotoxic signs in chickens 

following poisoning by DFP and sarin. Biochem Pharmacol. 1972;21:3145–3151.

  83.  Davies Dr, holland P, rumens mJ. the relationship between the chemical structure and neurotoxicity of alkyl or-

ganophosphorus compounds. Brit J Pharmacol. 1960;15:271–278.

  84.  Davies, et al Cited in: Gordon JJ, inns rh, Johnson mk, et al. the delayed neuropathic effects of nerve agents and 

some other organophosphorus compounds. Arch Toxicol. 1983;52(3):71–81.

  85.  Gordon JJ, inns rh, Johnson mk, et al. the delayed neuropathic effects of nerve agents and some other organophos-

phorus compounds. Arch Toxicol. 1983;52(3):71–81.

  86.  Willems Jl, nicaise m, De Bisschop hC. Delayed neuropathy by the organophosphorus nerve agents soman and 

tabun. Arch Toxicol. 1984;55:76–77.

  87.  Vranken ma, DeBisschop hC, Willems Jl. “in vitro” inhibition of neurotoxic esterase by organophosphorus nerve 

agents. Arch Int Pharmacodyn. 1982;260:316–318.

  88.  Willems Jl, Palate Bm, Vranken ma, DeBisschop hC. Delayed neuropathy by organophosphorus nerve agents. in: 

Proceedings of the International Symposium on Protection Against Chemical Warfare Agents, Stockholm, Sweden, 6–9 June 

1983. umea, Sweden: national Defence research institute; 1983. 

  89.  himuro  k,  murayama  S,  nishiyama  k,  et  al.  Distal  sensory  axonopathy  after  sarin  intoxication.  Neurology

1998;51(4):1195–1197. 

  90.  hayes WJ Jr. organic phosphorus pesticides. in: Pesticides Studied in Man. Baltimore, md: Williams & Wilkins; 1982: 294.

  91.  Dereuck J, Willems J. acute parathion poisoning: myopathic changes in the diaphragm. J Neurol. 1975;208:309–314.

  92.  meshul Ck, Boyne aF, Deshpande SS, albuquerque eX. Comparison of the ultrastructural myopathy induced by 

anticholinesterase agents at the end plates of rat soleus and extensor muscles. Exp Neurol. 1985;89:96–114.

  93.  kawabuchi m, Boyne aF, Deshpande SS, albuquerque eX. the reversible carbamate (–) physostigmine reduced 

the size of synaptic end plate lesions induced by sarin, an irreversible organophosphate. Toxicol Appl Pharmacol

1989;97:98–106.

  94.  ariens at, meeter e, Wolthuis ol, van Benthem rmJ. reversible necrosis at the end-plate region in striated muscles 

of the rat poisoned with cholinesterase inhibitors. Experientia. 1969;25:57–59.

  95.  Dettbarn W. Pesticide induced muscle necrosis: mechanisms and prevention. Fundam Appl Toxicol. 1984;4:S18–S26.

  96.  Wadia rS, Sadagopan C, amin rB, Sardesai hV. neurological manifestations of organophosphorous insecticide poi-

soning. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1974;37:841–847.

background image

333

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

  97.  Senanayake n, karalliedde l. neurotoxic effects of organophosphorus insecticides. N Engl J Med. 1987;316:761–763.

  98.  karademir m, erturk F, kocak r. two cases of organophosphate poisoning with development of intermediate syn-

drome. Hum Exp Toxicol. 1990;9:187–189.

  99.  nadarajah B. intermediate syndrome of organophosphorus insecticide poisoning: a neurophysiological study. Neurol-

ogy. 1991;41(suppl 1):251.

 100.  DeBleecker J, Willems J, neucker kVD, Dereuck J, Vogelaers D. Prolonged toxicity with intermediate syndrome after 

combined parathion and methyl parathion poisoning. Clin Toxicol. 1992;30:333–345.

 101.  DeBleecker J, neucker kVD, Willems J. the intermediate syndrome in organophosphate poisoning: presentation of a 

case and review of the literature. Clin Toxicol. 1992;30:321–329.

 102.  Perron r, Johnson BB. insecticide poisoning. N Engl J Med. 1969; 281:274–275.

 103.  Gadoth n, Fisher a. late onset of neuromuscular block in organophosphorus poisoning. Ann Intern Med. 1978;88:654–655.

 104.  Benson B. is the intermediate syndrome in organophosphate poisoning the result of insufficient oxime therapy? Clin 

Toxicol. 1992;30:347–349.

 105.  haddad lm. organophosphate poisoning—intermediate syndrome? Clin Toxicol. 1992;30:331–332.

 106.  Brown m, Brix k. review of health consequences from high-, intermediate- and low-level exposure to organophos-

phorus nerve agents. J Appl Toxicol. 1998;18,393–408. 

 107.  Baker DJ, Segwick em. Single fibre electromyographic changes in man after organophosphate exposure. Hum Exp 

Toxicol. 1996;15:369–375.

 108.  husain k, Vijayaraghavan r, Pant SC, raza Sk, Pandey kS. Delayed neurotoxic effect of sarin in mice after repeated 

inhalation exposure. J Appl Toxicol. 1993;13(2):143–145.

 109.  Gershon S, Shaw Fh. Psychiatric sequelae of chronic exposure to organophosphorus insecticides. Lancet. 1961;1:1371–1374.

 110.  Bidstrup Pl. Psychiatric sequelae of chronic exposure to organophosphorus insecticides. Lancet. 1961;2:103. letter.

 111.  Biskind mS. Psychiatric manifestations from insecticide exposure. JAMA. 1972;220:1248. letter.

 112.  levin hS, rodnitzky rl, mick Dl. anxiety associated with exposure to organophosphate compounds. Arch Gen 

Psychiatry. 1976;33:225–228.

 113.  metcalf Dr, holmes Jh. eeG, psychological, and neurological alterations in humans with organophosphorus exposure. 

Ann N Y Acad Sci. 1969;160:357–365.

 114.  rowntree DW, nevin S, Wilson a. the effects of diisopropylfluorophosphate in schizophrenic and manic depressive 

psychosis. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1950;13:47–62.

 115.  Durham WF, Wolfe hr, Quinby Ge. organophosphorus insecticides and mental alertness. Arch Environ Health

1965;10:55–66. 

 116.  Steenland k, Jenkins B, ames rG, o’malley m, Chrislip D, russo J. Chronic neurological sequelae to organophosphate 

pesticide poisoning. Am J Public Health. 1994;84:731–736. 

 117.  namba t, nolte Ct, Jackrel J, Grob D. Poisoning due to organophosphate insecticides. Am J Med. 1971;50:475.

 118.  Dille Jr, Smith PW. Central nervous system effects of chronic exposure to organophosphate insecticides. Aerospace 

Med. 1964;35:475–478.

background image

334

Medical Aspects of Chemical Warfare

 119.  tabershaw ir, Cooper WC. Sequelae of acute organic phosphate poisoning. J Occup Med. 1966;8:5–20.

 120.  rosenstock l, keifer m, Daniell We, mcConnell r, Claypoole k. Chronic central nervous system effects of acute 

organophosphate pesticide intoxication. Lancet. 1991;338:223–227.

 121.  Grob D. the manifestations and treatment of poisoning due to nerve gas and other organic phosphate anticholines-

terase compounds. Arch Intern Med. 1956;98:221–239.

 122.  Gaon mD, Werne J. Report of a Study of Mild Exposures to GB at Rocky Mountain Arsenal. rocky mountain arsenal, Colo: 

uS army medical Department; nd.

 123.  Sidell Fr. Formerly, Chief, Chemical Casualty Care office, uS army medical research institute of Chemical Disease. 

Personal observations, 1994 

 124.  ohbu S, Yamashina a, takasu n, et al. Sarin poisoning on tokyo subway. South Med J. 1997;90(6);587–593.

 125.  tochigi m, umekage t, otani t, et al. Serum cholesterol, uric acid and cholinesterase in victims of the tokyo subway 

sarin poisoning: a relation with post-traumatic stress disorder. Neurosci Res. 2002;44: 267–272. 

 126.  tochigi m, otani t, Yamasue h, et al. Support for relationship between serum cholinesterase and post-traumatic stress 

disorder; 5-year follow-ups of victims of the toyko subway sarin poisoning. Neurosci Res. 2005;52:129–131. 

 127.  Yokoyama k, araki S, murata k, et al. Chronic neurobehavioral effects of tokyo subway sarin poisoning in relation 

to posttraumatic stress disorder. Arch Environ Health. 1998;53:249–256.

 128.  Grob D, harvey am, langworthy or, lillienthal Jl. the administration of di-isopropyl fluorophosphate (DFP) to 

man. Bull Johns Hopkins Hosp. 1947; 31:257.

 129.  Duffy Fh, Burchfiel Jl. long term effects of the organophosphate sarin on eeGs in monkeys and humans. Neurotoxicol

1980;1:667–689.

 130.  Duffy Fh, Burchfiel Jl, Bartels Ph, Gaon m, Sim Vm. long-term effects of an organophosphate upon the human 

electroencephalogram. Toxicol Appl Pharmacol. 1979;47:161–176.

 131.  Burchfiel Jl, Duffy Fh. organophosphate neurotoxicity: chronic effects of sarin on the electroencephalogram of monkey 

and man. Neurobehav Toxicol Teratol. 1982;4:767–778.

 132.  Burchfiel Jl, Duffy Fh, Sim V. Persistent effect of sarin and dieldrin upon the primate electroencephalogram. Toxicol 

Appl Pharmacol. 1976;35:365–379.

 133.  Bucci tJ, Parker rm, Crowell Ja, thurman JD, Gosnell Pa. Toxicity Studies on Agent GA (Phase II): 90 Day Subchronic 

Study of GA (Tabun) in CD Rats. Jefferson, ark: national Center for toxicological research; 1992.

 134.  Bucci tJ, Parker rm, Gosnell Pa. Toxicity Studies on Agents GB and GD (Phase II): 90-Day Subchronic Study of GD (Soman) 

in CD-Rats. Jefferson, ark: national Center for toxicological research; 1992.

 135.  Jacobson kh, Christensen mk, Dearmon ia, oberst FW. Studies of chronic exposures of dogs to GB (isopropyl meth-

ylphosphono-fluoridate) vapor. Arch Indust Health. 1959;19:5–10.

 136.  Bucci tJ, Parker rm, Cosnell Pa. Toxicity Studies on Agents GB and GD (Phase II): Delayed Neuropathy Study of Sarin, 

Type I, in SPF White Leghorn Chickens. Jefferson, ark: national Center for toxicological research; 1992.

 137.  Bucci tJ, Parker rm, Gosnell Pa. Toxicity Studies on Agents GB and GD (Phase II): Delayed Neuropathy Study of Sarin, 

Type II, in SPF White Leghorn Chickens. Jefferson, ark: national Center for toxicological research; 1992.

 138.  henderson JD, higgins rJ, rosenblatt l, Wilson BW. Toxicity Studies on Agent GA: Delayed Neurotoxicity—Acute and 

Repeated Exposures of GA (Tabun). Davis, Calif: university of California Davis lab for energy; 1989.

background image

335

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

 139.  Bucci tJ, Parker rm, Gosnell Pa. Toxicity Studies on Agents GB and GD. Jefferson, ark: national Center for toxiological 

research; 1992.

 140.  Goldman m, klein ak, kawakami tG, rosenblatt lS. Toxicity Studies on Agents GB and GD. Davis, Calif: university 

of California Davis laboratory for energy; 1987.

 141.  kawakami tG, Goldman m, rosenblatt l, Wilson BW. Toxicity Studies in Agent GA: Mutagenicity of Agent GA (Tabun) 

in the Mouse Lymphoma Assay. Davis, Calif: university of California Davis laboratory for energy; 1989.

 142.  nasr m, Cone n, kawakami tG, Goldman m, rosenblatt l. Toxicity Studies on Agent GA: Mutagenicity of Agent GA 

(Tabun) in the In Vitro Cytogenetic Sister Chromatid Exchange Test Phase I. Davis, Calif: university of California Davis 

laboratory for energy; 1988.

 143.  Goldman m, nasr m, Cone n, rosenblatt lS, Wilson BW. Toxicity Studies on Agent GA: Mutagenicity of Tabun (GA) in 

the Ames Mutagenicity Assay. Davis, Calif: university of California Davis laboratory for energy; 1989.

 144.  Baskin Si. Cardiac effects of cyanide. in: Ballantyne B, marrs tC, eds. Clinical and Experimental Toxicology of Cyanide. 

Bristol, united kingdom: Wright; 1987:138–155.

 145.  Patel mn, tim Gk, isom Ge. n-methyl-D-aspartate receptors mediate cyanide-induced cytotoxicity in hippocampal 

cultures. Neurotoxicology. 1983;14:35–40.

 146.  Spencer PS. Food toxins, amPa receptors and motor neuron diseases. Drug Metab Rev. 1999;31(3):561–587.

 147.  Wurzburg h. treatment of cyanide poisoning in an industrial setting. Vet Hum Toxicol. 1996;38(1):44–47.

 148.  rachinger J, Fellner Fa, Stieglbauer k, trenkler J. mr changes after acute cyanide ingestion. AJNR Am J Neuroradiol. 

2002;23:1398–1401.

 149.  Borgohain r, Singh ak, radhakrishna h, rao VC, mohandas S. Delayed onset generalized dystonia after cyanide 

poisoning. Clin Neurol Neurosurg. 1995;97:213–215. 

 150.  Cliff J, nicala D, Saute F, et al. ankle clonus and thiocyanate, linamarin, and inorganic sulphate excretion in school 

children in communities with konzo, mozambique. J Trop Pediatr. 1999; 45(3):139–142. 

 151.  mwanza JC, tshala-katumbay D, kayembe Dl, eeg-olofsson ke, tylleskar t. neuro-opthalmologic findings in konzo, 

an upper motor neuron disorder in africa. EurJ Ophthalmol. 2003;13(4):383–389. 

 152.  tylleskar t, Banea m, Bikangi n, Cooke rD, Poulter nh, rosling h. Cassava cyanogens and konzo, an upper moto-

neuron disease found in africa. Lancet. 1992;339(8787):208–211.

 153.  Banea-mayambu JP, tylleskar t, Gitebo n, matadi n, Gebre-medhin m, rosling h. Geographical and seasonal asso-

ciation between linamarin and cyanide exposure from cassava and the upper motor neurone disease konzo in former 

Zaire. Trop Med Int Health. 1997;2(12):1143–1151. 

 154.  oluwole oS, onabolu a o, link h, rosling h. Persistence of tropical ataxic neuropathy in a nigerian community. 

Neurol Neurosurg Psychiatry. 2000;69:96–101. 

 155.  tor-agbidye J, Palmer VS, lasarev mr, et al. Bioactivation of cyanide to cyanate in sulfur amino acid deficiency: 

relevance to neurological disease in humans subsisting on cassava. Toxicol Sci. 1999;50:228–235. 

 156.  lundquist P, rosling h, Sorbo B, tibbling l. Cyanide concentrations in blood after cigarette smoking, as determined 

by a sensitive fluorimetric method. Clin Chem. 1987;33(7): 1228–1230.

 157.  mackey D, howell n. tobacco amblyopia. Am J Ophthalmol. 1994;117(6):817–819. 

 158.  Brown mD, Voljavec aS, allot mt, macDonald i, Wallace DC. leber’s hereditary optic neuropathy: a model for mito-

chondrial neurodegenerative diseases. FASEB J. 1992;6:2791–2799. 

background image

336

Medical Aspects of Chemical Warfare

 159.  tsao k, aitken P, Johns Dr. Smoking as an aetiological factor in the pedigree with leber’s hereditary optic neuropathy

Br J Ophthalmol. 1999;83:577–581.

 160.  olgunturk r, Yener a, tunaoglu FS, Gokgoz l, aslamci S. temporary blindness due to sodium nitroprusside overdos-

age in a postoperative patient: an unusual adverse effect. Clin Pediatr (Phila). 1992; 31(6):380–381.

 161.  el-Ghawabi Sh, Gaafar ma, el-Saharti aa, ahmed Sh, malash kk, Fares r. Chronic cyanide exposure: a clinical, 

radioisotope, and laboratory study. Br J Ind Med.1975;32(3):215–219. 

 162.  erdogan mF. thiocyanate overload and thyroid disease. BioFactors 2003;19:107–111. 

 163.  koyama k, Yoshida a, takeda a, morozumi k, Fujinami t, tanaka n. abnormal cyanide metabolism in uraemic 

patients. Nephro Dial Transplant. 1997;12:1622–1628. 

 164.  uS army medical research institute of Chemical Defense, Chemical Casualty Care office. Medical Management of 

Chemical Casualties Handbook. 2nd ed. aberdeen Proving Ground, md: uSamriCD; 1995.

 165.  uS army medical research institute of Chemical Defense, Chemical Casualty Care office. Medical Management of 

Chemical Casualties Handbook. 3rd edaberdeen Proving Ground, md: uSamriCD; 2000.

 166.  Gilchrist hl, matz PB. the residual effects of warfare gases: the use of phosgene gas, with report of cases. Med Bull 

Veterans Admin. 1933;10:1–37. 

 167.  Winternitz mC. Pathology of War Gas Poisoning. Yale university Press, new haven, 1920.

 168.  Weill h. Disaster at Bhopal: the accident, early findings and respiratory health outlook in those injured. Bull Eur 

Physiopathol Respir. 1987;23:587–590. 

 169.  akbar-khanzadeh F. Short-term respiratory function changes in relation to work shift welding fumes exposures. Int 

Arch Occup Environ Health. 1993;64:393–397.

 170.  nold JB, Petrali JP, Wall hG, moore Dh. Progressive pulmonary pathology of two organofluorine compounds in rats. 

Inhalation Toxicol. 1991;3:12 

 171.  karpov BD. establishment of upper and lower toxicity parameters of perfluroisobutylene toxicity. Tr Lenig Sanit-Gig 

Med Inst. 1977;111:30–33. 

 172.  Williams n, atkinson W, Patchefsky aS. Polymer-fume fever: not so benign. J Occup Med. 1974;16:519–522. 

 173.  auclair F, Baudot P, Beiler D, limasset JC. minor and fatal complications due to treating polytetrafluoroethylene in 

an industrial environment: clinical observations and physiochemical measurement of the polluted atmosphere [in 

French]. Toxicol Eur Res. 1983;5(1):43–48. 

 174.  makulova iD. Clinical picture of acute poisoning with perflurosebutylene. Gig Tr Prof Zabol. 1965;9:20–23. 

 175.  ramirez rJ. the first death from nitrogen dioxide fumes. JAMA. 1974;229:1181–1182. 

 176.  lowry t, Schuman lm. Silo-filler’s disease. JAMA. 1956;162:153–155. 

 177.  ramirez rJ, Dowell ar. Silo-filler’s disease: nitrogen dioxide–induced lung injury. Ann Intern Med. 1971;74:569–576. 

 178.  Becklake mr, Goldman hi, Bosman ar, Freed CC. the long-term effects of exposure to nitrous fumes. Am Rev Tuberc

1957;76:398–409. 

 179.  Jones Gr, Proudfoot at, hall Jt. Pulmonary effects of acute exposure to nitrous fumes. Thorax. 1973;28:61–65.

 180.  national research Council, Committee on toxicology, Commission on life Sciences. Toxicity of Military Smokes and 

Obscurants. Vol 1. Washington DC: national academy Press; 1997. 

background image

337

Long-Term Health Effects of Chemical Threat Agents

 181.  Conner mW, Flood Wh, rogers ae, amdur mP. lung injury in guinea pigs caused by multiple exposures to ultrafine 

zinc oxide: changes in pulmonary lavage fluid. J Toxicol Environ Health. 1988; 25(1):57–69.

 182.  marrs tC, Colgrave hF, edginton Ja, Brown rF, Cross nl. the repeated dose toxicity of a zinc oxide/hexachloroethane 

smoke. Arch Toxicol. 1988; 62(2-3):123–132.

 183.  kuschner WG, D’alessandro a, Wong h, Blanc PD. early pulmonary cytokine responses to zinc oxide fume inhala-

tion. Environ Res. 1997;75(1):7–11.

background image

338

Medical Aspects of Chemical Warfare